帕金森病（PD）是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，其臨床癥狀主要表現(xiàn)為僵化和震顫。目前，全球大約有600萬人患有帕金森病。盡管大多數(shù)患者為散發(fā)病例，但少數(shù)患者是由于GBA基因中的變異，特別是N370S突變。
近日，牛津大學(xué)的研究人員利用患者和對(duì)照的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）生成了多巴胺神經(jīng)元，其丟失導(dǎo)致了該疾病的運(yùn)動(dòng)癥狀。通過大量細(xì)胞和單細(xì)胞測(cè)序，他們梳理了病例和對(duì)照的基因表達(dá)差異，發(fā)現(xiàn)這似乎受到組蛋白去乙酰化酶4（HDAC4）的調(diào)節(jié)。他們利用正在開發(fā)的藥物來靶向HDAC4，發(fā)現(xiàn)能夠糾正與疾病相關(guān)的細(xì)胞表型。
這項(xiàng)研究成果于本周發(fā)表在《Cell Stem Cell》雜志上?！拔覀兊墓ぷ髯C明了我們?nèi)绾卫脝渭?xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)來探索細(xì)胞異質(zhì)性，從而揭示疾病機(jī)理和治療靶點(diǎn)，”作者在文中寫道。
研究人員從三名帕金森病患者（帶有GBA N370S突變）和三名對(duì)照中獲得iPSC細(xì)胞，然后將它們分化成多巴胺神經(jīng)元。利用FACS分選后，大量細(xì)胞的RNA測(cè)序顯示TH、DDC等多巴胺神經(jīng)元的標(biāo)志基因表達(dá)增加。病例和對(duì)照的神經(jīng)元之間大約存在250個(gè)基因的差異表達(dá)。
之后，研究人員測(cè)序了病例和對(duì)照的146個(gè)單個(gè)神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄組。主成分分析表明，細(xì)胞按患者來源聚類，并且也按信號(hào)識(shí)別顆粒依賴的共翻譯蛋白的基因表達(dá)聚類。
通過結(jié)合大量細(xì)胞和單細(xì)胞的RNA-seq數(shù)據(jù)，研究人員生成了一份60個(gè)核心基因的列表，它們的表達(dá)在患者來源的神經(jīng)元中改變。具體來說，52個(gè)基因的表達(dá)下調(diào)，而8個(gè)基因的表達(dá)上調(diào)。
沿著疾病發(fā)展的軸線，早期下調(diào)的基因包括那些參與神經(jīng)元功能、蛋白質(zhì)分泌和運(yùn)輸以及軸突生長(zhǎng)的基因。同時(shí)，后期上調(diào)的基因包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激基因。研究人員指出，這與他們之前的研究成果一致，即患者多巴胺神經(jīng)元中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激更高。
他們還補(bǔ)充說，許多在早期差異表達(dá)的基因都受到組蛋白去乙?；?（HDAC4）的下調(diào)，表明靶向它也許能影響疾病過程。他們發(fā)現(xiàn)HDAC4錯(cuò)誤定位在患者iPSC分化的多巴胺神經(jīng)元中的細(xì)胞核上，在早期抑制基因表達(dá)，導(dǎo)致晚期蛋白質(zhì)平衡的缺陷。
研究人員隨后利用四種靶向HDAC4的化合物來處理患者的多巴胺神經(jīng)元。他們報(bào)告稱，這些化合物逆轉(zhuǎn)了早期疾病相關(guān)基因的表達(dá)下降，而后期的進(jìn)一步處理限制了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激基因的表達(dá)升高。
研究人員將他們的分析擴(kuò)展到四名特發(fā)性帕金森病患者。他們發(fā)現(xiàn)，其中的兩名患者也存在HDAC4的核定位增加及其調(diào)節(jié)基因的表達(dá)減少，以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激基因的上調(diào)。
“我們發(fā)現(xiàn)疾病過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)事件，并確定HDAC4是早期分子變化的一個(gè)關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，這些變化導(dǎo)致晚期的病理過程，”作者寫道。他們認(rèn)為這種方法也適用于其他疾病，有助于發(fā)現(xiàn)疾病機(jī)理和治療靶點(diǎn)。
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Single-Cell Sequencing of iPSC-Dopamine Neurons Reconstructs Disease Progression and Identifies HDAC4 as a Regulator of Parkinson Cell Phenotypes
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