במחקר שפורסם לאחרונה ב-Cell Reports, החוקרים ערכו ניתוח תעתיק מרחבי של תא יחיד על ביטוי מוח של עכברים בגיל ובמחלה באמצעות מודל טרנסגני של מחלת פרקינסון (PD), תוך התמקדות בנוירונים דופמינרגיים (DA) המשתרעים על פני 29 סוגי תאים.
לימוד: פרופיל תעתיק מרחבי וטרנסלאטומי של תאי יחיד של נוירונים דופמינרגיים בבריאות, הזדקנות ומחלות. קרדיט תמונה: solarseven/Shutterstock.com
רקע כללי
המוח בעל המבנה המרחבי מכיל תאים שונים, שלכל אחד מהם מטרה שונה. PD הוא מצב נוירודגנרטיבי המאופיין באובדן DA והצטברות אלפא-סינוקלאין עקב ביטוי יתר באמצעות כפל לוקוס.
ריצוף חומצה ריבונוקלאית חד-תאית (RNS-seq) שיפר את הידע של ביטוי מבוסס תאים באיברים כגון המוח, אך השיטות הנוכחיות לא מצליחות להשיג רזולוציה בתפוקה גבוהה. טכנולוגיות פלואורסצנטי הכלאה באתרו (FISH) מספקות רגישות גבוהה יותר ברמה אינדיבידואלית.
לגבי המחקר
במחקר הנוכחי, החוקרים ביצעו פרופיל תעתיק מרחבי וטרנסלאטומי של תא בודד של DA כדי למצוא סמנים לתאים בריאים ומבוגרים.
החוקרים חצו עכברי Rosa26fsTRAP::DATIREScre (DAT-TRAP) עם עכברי SNCA-OVX כדי לאפשר לכידת RNA שליח DA (mRNA) במודל PD.
העכברים התיישנו עד 18 חודשים כדי להעריך את ההשפעה של ביטוי יתר של ⍺-סינוקלאין והזדקנות על ביטוי גנטי של נוירונים דופמינרגיים ולחקור את ההשפעה של הזדקנות בריאה ופרקינסונית.
החוקרים יצרו מפה מרחבית תעתיק ברמת תא בודד של ביטוי גנים במוח העכבר הבוגר ופרופיל ברמת תרגום גבוה של ביטוי נוירון DA.
הם ניתחו מערכי סטריאו-seq עם מפות תמלול מיוחדות. הם המירו את מפות ביטוי התעתיק לתאים בודדים מפולחים, וזיהו 29 סוגי תאים, כולל אסטרוציטים ונוירונים קליפת המוח מעכבים, ב-18 פרוסות מוח.
הצוות סינן את התאים המפולחים לפי גודל ומורכבות התעתיק וניתח אוכלוסיות קליפת מוח, היפוקמפוס ותלמוס מובחנים במרחב. הם גם בחנו את המוח האמצעי הגחוני והסטריאטום כדי להעשיר את התמלילים המוגבלים לגוף התא ולאקסון המשוער.
הם השתמשו בנתונים מהעשרת גנים ומחקרי אסוציאציות גנום-רחביות (GWAS) כדי לזהות גנים פוטנציאליים שגורמי מחלות.
הם העריכו את מיקומו של כל תא והשוו את ביטוי הגנים הנוירונים של DA בתאים שונים.
החוקרים בחנו ריבוזומים מתויגים חלבון פלואורסצנטי מוגבר (eGFP) בתאים המבטאים DAT ואישרו שילוב של eGFP עם טירוזין הידרוקסילאז (TH), סמן עצבי DA.
הם פיצלו תאים מפרוסות מוח סטריאו-seq, סיננו אותן על סמך גנים שזוהו, וביצעו אנליזה של UMAP (Uniform Manifold Approximation and Projection).
הם גם ביצעו רצף RNA לקריאה קצרה וארוכה של ה-mRNA המתרגם שנאסף על ידי TRAP והשתמשו ברצף סטריאו ובנתוני TRAP כדי לדרג גנים פוטנציאליים לחקירה של PD ספורדי.
החוקרים הדגימו העשרה ספציפית של גנים של סמן DA ודלדול של גני סמן של סוגי תאים שכנים אחרים ב-DAT-TRAP mRNA.
הם אישרו ביטוי חלבון ספציפי של קולטן חישת סידן (CASR) בנוירונים במוח הגחון של עכברים וחקרו את ביטוי CASR בנוירונים DA שמקורם בתאי גזע פלוריפוטנטיים המושרים על ידי אדם. הם גם בחנו וריאציות גנים הקשורות לגיל בתאים שהתגלו על ידי סטריאו-seq.
תוצאות
הצוות חקר PD במוחות צעירים ומבוגרים כדי לזהות גנים בעלי ביטוי משתנה מרחבית בנוירונים דופמינרגיים של אזור הטגמנטלי הגחון (VTA) ו-substantia nigra (SN) וסמנים מסוימים כגון copine-7 (Cpne7) ו-Solute carrier family 10. 4 (Slc10a4) גנים.
הם גם זיהו גרסאות ספייס ייחודיות ל-DA. הם הדגימו דרכים להשתמש ב-TRAP ובמדידות ביטוי ספציפיות ברצף סטריאו כדי לזהות גנים בעלי פוטנציאל רלוונטיות מאזורי GWAS, מה שמצביע על כך ש-CASR מווסת סידן עצבי DA תוך תאי.
הממצאים הוכיחו אובדן עצבי DA ספציפי ל-Nigra והפעלת מיקרוגליה מוגברת עם הגיל. הם הדגישו שינויים גנטיים הקשורים להזדקנות ולמחלות בתאים שונים, כולל נוירונים דופמינרגיים, לאורך מסלולים רבים הקשורים ל-PD.
Stereo-seq זיהה שינויים בביטוי שנגרמו על ידי הזדקנות ומחלה על פני סוגי תאים שונים, אובדן של נוירונים DA ניגרליים והתרחבות נוירו-דלקתית של מיקרוגליה.
מחקר העשרה בנתיב גילה שתהליכים ביולוגיים שונים שונו, כולל הנחת אקסון, אפנון שידור סינפטי, הומאוסטזיס של יוני סידן תוך-תאיים ובקרת הפרשת קטכולמין.
הצוות חילץ 355,307 תעתיקים באיכות גבוהה עם פרטי קואורדינטות מרחביות מ-18 מוחות של עכברים, וזיהה בסך הכל 14,494 גנים.
הם צפו בחלבון הקשור לסינפטוזומלי, ביטוי של 25kDa (Snap25) ולוקליזציה מובנית במקומות כמו התלמוס או ההיפוקמפוס המובחנים בין נוירונים מגליה.
הם גם בחנו תאים עצביים באזור CA1, אזור CA3, subiculum וג'ירוס דנטט באזור ההיפוקמפוס או גרעינים משחררי חומצה גמא-אמינו-בוטירית (GABA) במוח התיכון.
ביטוי סמן איפשר זיהוי אוליגודנדרוציטים, אסטרוציטים, מיקרוגליות ואריתרוציטים. בדגימות DAT-TRAP, סמנים קלאסיים של נוירונים דופמינרגיים הראו העשרה משמעותית, בעוד שאלו של סוגי תאים אחרים ירדו במוח התיכון הגחון.
סיכום
בסך הכל, המחקר זיהה 29 סוגי תאי מוח ייחודיים על ידי בחינת וריאציות בביטוי גנים מרחבי הקשורים להזדקנות ומחלות. נתוני הסטריאו-seq הצביעו על הבדלים בשימוש בתעתיק על פני יותר מאלף גנים.
היו 817 מקרים של שחבור חלופי, מה שמצביע על כך שתורגמו יותר גנים ממה שהראו נתוני ספירת רמת הגנים. המחקר גילה גם ירידה תלוית גיל במספר תאי הנוירון SN DA, התומכת בממצאים מוקדמים יותר.
