Nature最新发布：孤独症患者大样本大脑皮层转录组分析，有什么新发现？
神经精神疾病通常缺乏明确的大脑病理学，但最近的研究已经证明了分子水平的调节失调，其特征是转录组和表观遗传改变。在孤独症（又称自闭症，ASD）中，这种分子病理涉及皮层中小胶质细胞、星形胶质细胞和神经免疫基因的上调、突触基因的下调以及基因表达梯度的减弱。然而，这些变化是局限于皮质关联脑区，还是更广泛，仍不得而知。
近日，美国加州大学洛杉矶分校大卫·格芬医学院Daniel H. Geschwind研究团队在Nature发表研究，对来自ASD患者112个死后样本中的725个大脑样本（每个样本横跨11个皮层区域）进行了RNA测序分析。发现了ASD大脑皮层中广泛的分子变化，其范围超出了皮层关联区，并广泛涉及到初级感觉区。
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1. ASD的全皮层转录组学变化
首先，研究人员对ASD患者和对照组共725个样本进行了RNA测序分析（RNA-seq），这些样本跨越11个不同的脑区和四个皮质小叶区（额叶、顶叶、颞叶和枕叶），包括多个关联区和初级感觉区。与之前研究相比，所分析的样本和区域的数量增加了三倍以上。
在全皮层中发现了4223个基因和9474个转录物差异表达，且转录物比其相匹配的基因呈现更大幅度的变化[Fig.1c,d]。同时，观察到ASD中所有11个皮层区域与全皮层转录组特征效应的一致性，并在初级视觉皮层（BA17）中观察到最大的信号[Fig.1e]。
Figure 1 ASD中跨11个皮质区转录组差异
2. 区域特性弱化
在神经型大脑中，可以根据基因表达的差异来区分皮层区域。但在ASD中额叶和颞叶两个区域之间的典型基因表达差异显著减弱，在本研究中称之为转录组区域特性（ARI）的减弱。使用保守排列的统计方法对11个皮层区域进行系统对比，发现在ASD中，分化皮层区域的基因表达差异显著减少，产生了分子更均匀的皮层区域[Fig.2a,b]。
尽管基因广泛失调，但更后面的区域BA17和顶叶皮层（BA39/40）表现出最大的变化，表明后部区域（BA17和BA39/40）表现出更强的衰减模式[Fig.2c,d]。
Figure 2 ASD中全皮层转录组区域特性衰减
3. 全皮层模块含有ASD风险基因
接下来，通过“模块”将基因划分为具有高水平共表达的簇，并通过其特征基因来概括。总共有38个模块在ASD的至少一个区域上调或下调。其中大多数可分为两大类：（1）全皮层调节失调，各区域的幅度相当（18个模块）；或（2）表现出跨区域（13个模块）的可变变化。在ASD的所有区域表现出一致的表达失调。包括：GeneM9，具有非蛋白编码基因的显著富集；GeneM32，代表反应性星形胶质细胞；GeneM24，富含参与血脑屏障功能的内皮细胞和周细胞标记基因。
GeneM5和IsoformM37是两个皮层范围内调节失调的模块，其中IsoformM37富含ASD常见遗传风险变体（但不是罕见突变），在ASD中上调，也是第一份与已知ASD风险变体相关的ASD转录组学上调信号的报告，它表明ASD中的蛋白质稳态失调[Fig.3]。
Figure 3 共表达网络分析表征ASD风险基因在全皮层范围内失调
4. 细胞类型特异性表达梯度
最后，使用snRNA-seq数据计算了ASD额叶、顶叶和枕叶区域的细胞类型特异性差异基因表达特征。观察到一个显著的区域梯度，在枕叶和顶叶细胞类型中观察到的差异表达基因是PFC的三倍至四倍[Fig.4i]。
此外，罕见和常见的ASD相关基因变异都集中在涉及突触信号传导的下调的共表达模块内，并且在上调蛋白伴侣基因的模块内单独富集了常见变异[Fig.4l]。
Figure 4 ASD中区域可变转录组失调的功能特征
总 结
本研究的发现大大完善了对ASD分子病理学的理解，超越了先前在额叶和颞叶中观察到的“下调神经元”和“上调神经胶质/免疫”的功能类别。上调的反应性星形胶质细胞和下调的血脑屏障膜转运体的基因表达特征在ASD中广泛存在。但令人惊讶的是，ASD中最深刻的基因表达变化出现在初级视觉皮层（BA17）。
参考文献
Gandal, Michael J et al. “Broad transcriptomic dysregulation occurs across the cerebral cortex in ASD.” Nature, 10.1038/s41586-022-05377-7. 2 Nov. 2022, doi:10.1038/s41586-022-05377-7
编译作者：Young（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）