帕金森病(PD)是一種常見的神經系統變性疾病,其臨床癥狀主要表現為僵化和震顫。目前,全球大約有600萬人患有帕金森病。盡管大多數患者為散發病例,但少數患者是由于GBA基因中的變異,特別是N370S突變。
近日,牛津大學的研究人員利用患者和對照的誘導多能干細胞(iPSC)生成了多巴胺神經元,其丟失導致了該疾病的運動癥狀。通過大量細胞和單細胞測序,他們梳理了病例和對照的基因表達差異,發現這似乎受到組蛋白去乙酰化酶4(HDAC4)的調節。他們利用正在開發的藥物來靶向HDAC4,發現能夠糾正與疾病相關的細胞表型。
這項研究成果于本周發表在《Cell Stem Cell》雜志上。“我們的工作證明了我們如何利用單細胞轉錄組學來探索細胞異質性,從而揭示疾病機理和治療靶點,”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)和三名對照中獲得iPSC細胞,然后將它們分化成多巴胺神經元。利用FACS分選后,大量細胞的RNA測序顯示TH、DDC等多巴胺神經元的標志基因表達增加。病例和對照的神經元之間大約存在250個基因的差異表達。
之后,研究人員測序了病例和對照的146個單個神經元的轉錄組。主成分分析表明,細胞按患者來源聚類,并且也按信號識別顆粒依賴的共翻譯蛋白的基因表達聚類。
通過結合大量細胞和單細胞的RNA-seq數據,研究人員生成了一份60個核心基因的列表,它們的表達在患者來源的神經元中改變。具體來說,52個基因的表達下調,而8個基因的表達上調。
沿著疾病發展的軸線,早期下調的基因包括那些參與神經元功能、蛋白質分泌和運輸以及軸突生長的基因。同時,后期上調的基因包括內質網應激基因。研究人員指出,這與他們之前的研究成果一致,即患者多巴胺神經元中的內質網應激更高。
他們還補充說,許多在早期差異表達的基因都受到組蛋白去乙酰化酶4(HDAC4)的下調,表明靶向它也許能影響疾病過程。他們發現HDAC4錯誤定位在患者iPSC分化的多巴胺神經元中的細胞核上,在早期抑制基因表達,導致晚期蛋白質平衡的缺陷。
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元。他們報告稱,這些化合物逆轉了早期疾病相關基因的表達下降,而后期的進一步處理限制了內質網應激基因的表達升高。
研究人員將他們的分析擴展到四名特發性帕金森病患者。他們發現,其中的兩名患者也存在HDAC4的核定位增加及其調節基因的表達減少,以及內質網應激基因的上調。
“我們發現疾病過程是一個動態事件,并確定HDAC4是早期分子變化的一個關鍵調節因子,這些變化導致晚期的病理過程,”作者寫道。他們認為這種方法也適用于其他疾病,有助于發現疾病機理和治療靶點。
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