Cell Res | 中科院神经所张旭研究组通过单细胞转录组分析揭示神经性疼痛随时间的发展趋势
2021年3月10日，脑与智能科技研究院张江实验室、上海脑科学与类脑研究中心的张旭院士与李昌林博士共同通讯在Cell Research（IF20.505）上发表了题为“Single-cell transcriptomic analysis of somatosensory neurons uncovers temporal development of neuropathic pain”的研究成果。该论文通过对神经损伤（SNI）小鼠的背根神经节（DRG,dorsal root ganglia）进行单细胞RNA测序（10X genomic）等分析，揭示了神经性疼痛的时间变化模式，为该研究结果为了解神经性疼痛发展过程中神经元类型变化的动态过程及其潜在分子机制提供了新的线索。
研究思路
神经损伤可以引起神经性疼痛，严重影响患者的生活质量。周围神经损伤将会引起一系列的细胞和分子反应，包括基因调控、轴突变性、卫星胶质细胞的活化，以及背根神经节（DRG）血管通透性的增加等。目前损伤背部神经节中基因表达谱的动态调控作为神经性疼痛的一个重要触发因素，已经被人类广泛的研究。然而，神经性疼痛的机制是十分复杂的，依据现有的医疗手段，神经性疼痛仍然无法治愈。临床上，治疗神经性疼痛的药物通常会让患者上瘾或者药效不明显，甚至可能会引发很大的副作用。因此，人们有必要在分子和细胞水平上进一步探讨并研究神经性疼痛发生发展的潜在机制。
单细胞RNA测序（scRNA-seq）目前被用于检测体感神经元的异质性，并识别DRG的神经元类型，对单个细胞和不同细胞类型之间的分子和细胞变化进行定量分析，了解周围神经损伤后动态DRG神经元类型的变化是否发生以及如何发生，有助于人们寻找发展疼痛治疗的潜在目标。
研究结论
免伤神经损伤模型（SNI）是一种广泛被使用的神经疼痛模型。首先，作者通过不同时间点的SNI小鼠的DRG进行单细胞转录组分析，通过主成分分析及T-SNE可视化将DRG细胞主要分为9种主要类型，包括初级感觉神经元、血管内皮细胞（VEC）、血管平滑肌细胞（VSMC）、毛细血管（VECC）等类群。为了探讨正常疼痛和神经病理性疼痛条件下DRG神经元的异质性，作者又根据转录特征对DRG神经元进行了重新分类：有6簇肽能神经元、5簇非肽能神经元、5簇有髓鞘神经元类型和3个高水平表达Atf3的SNIIC(SNI诱导的神经元簇)。
重分类及对比表
接着，作者为了研究SNI诱导的新兴神经元类型的发育，根据时间点对t-SNE图进行分析发现，除了都高表达Atf3之外，SNIC1富集Gfra3和Gal，SNIC12富集Mrgprd，SNIC13还富集S100b与Gal。结果显示，类群2只存在短暂时间（神经损伤24h内），而损伤2天后，类群2转变为了类群1。这表明SNI后的DRG神经元类群1很有可能来源于DRG神经元类群2。
类群间转变示意图
为了研究神经元类型的转变过程中的关键调控因子和基因调控网络，作者使用SCENIC pipeline和流式细胞术等技术分析了SNI神经元中高表达的一些常见转录因子，发现Atf3、Jun、Egr1、Crem高表达于类群1-3，Bach1高表达于类群1，Cpeb1高表达在类群2。
类群中的高表达转录因子
接下来，为了探究神经元簇的动态基因调控，作者进行了拟时序分析来重现了单细胞的发展轨迹。研究表明，转变过程中的一些差异表达基因主要参与了神经再生或者神经性疼痛的调节，一些表达上调的基因主要参与了离子运输、炎症反应、轴突发育等过程，而和痛觉相关的基因如Trpv1、Scn10a、Scn11a等表达下调了。
拟时序分析图
周围神经损伤诱导了细胞因子及相关分子，如包括受体、配体、抑制因子和调控蛋白等的表达变化。研究结果表明，CLCF1在SNI神经元类群1（损伤后2-7天内）中的表达发生了显著上调。CLCF1（基因编码心肌营养素样细胞因子1，简称CLC）能够特异性地激活脊髓后背角中的星形胶质细胞，而且在DRG中降低CLC的表达，可以缓解小鼠的机械触痛。这些结果均表明，炎症细胞因子CLC参与外周神经损伤引起的神经性疼痛超敏反应，即神经性疼痛的时间动态变化过程。
CLC参与外周神经损伤引起的神经性疼痛发展趋势
综上所述，该研究论文告知我们，由CLCF1基因编码的CLC可能是一个新的和神经性疼痛相关的细胞调控因子，靶向CLC将成为治疗神经性疼痛的一个新兴策略。
参考文献
[1] Single-cell transcriptomic analysis of somatosensory neurons uncovers temporal development of neuropathic pain;
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