空間轉錄組在揭示睡眠剝奪后大腦不同區域獨特基因表達變化中的應用
期刊：Nat Commun
影響因子：16.6
伯豪技術服務：空間轉錄組測序
導讀
睡眠剝奪是一個日益嚴重的問題，睡眠不足會影響認知、注意力和新陳代謝。睡眠和晝夜節律紊亂也與神經退行性疾病的發病率增加和加速進展有關，包括阿爾茨海默病。考慮到睡眠不足對個人的嚴重后果以及睡眠剝奪與許多疾病的相互作用，了解睡眠剝奪的細胞和分子后果是很重要的。為此，使用了無偏的空間轉錄組學來定義睡眠缺失是否對特定的大腦區域有明顯的分子影響。
結果
利用空間轉錄組，分析了睡眠剝奪（SD）或對照（非睡眠剝奪（NSD））成年雄性小鼠冠狀腦切片中的空間基因表達。為每種條件下的樣本生成區域富集的表達譜，以高可靠性預測了腦區域，并再現了參考Allen小鼠腦圖譜中的腦區域。每個大腦區域都具有特定的轉錄特征，無監督聚類分析顯示不同的聚類和標志物。總之，這些結果突出了空間轉錄組學在小鼠大腦中實現高分辨率表達譜的能力。
研究結果
1. 睡眠剝奪對大腦每個區域的轉錄活動都有不同的影響
對每個腦區進行了差異基因表達分析。篩選顯著差異表達基因（DEGs），發現海馬區受睡眠不足影響的顯著DEGs最多（592個DEGs），其次是新皮層（401個DEGs）、下丘腦（266個DEGs）和丘腦（113個DEGs）。其中一些DEG，如Rbm3、Hspa5和Srsf5，在之前的海馬體和其他大腦區域的研究中，已經被證明在睡眠剝奪后受到影響。
DEGs的分子功能表現出區域特異性的差異。在海馬區，許多與RNA加工相關的分子功能富集。對于新皮層，與蛋白激酶活性、GTPase活性、泛素連接酶活性和dna結合轉錄因子結合相關的分子功能被富集。下丘腦中的deg具有與神經肽和激素活性相關的分子功能，以及谷胱甘肽轉移酶和過氧化物酶活性。丘腦中的DEGs富集了肌生成調節因子（MRF）結合的分子功能。令人驚訝的是，海馬區~98%的顯著下調，而新皮層區~96%的顯著上調。
2. 海馬體亞區受到睡眠剝奪的不同影響
正如本研究和先前的研究表明，海馬體非常容易受到急性睡眠剝奪的影響。這個大腦區域由幾個亞結構組成，即CA1、CA2、CA3和齒狀回（DG）。使用Allen Brain Atlas的scRNA-seq全海馬小鼠數據集對CA1錐體層和齒狀回（DG）顆粒細胞層進行了去卷積，并能夠基于空間位置區分CA2和CA3錐體層區域。對海馬各亞區域的差異基因表達分析，CA1錐體層和輻射層受睡眠剝奪的影響最大，所檢測區域的DEGs和獨特的DEGs最多。輻射層有53個獨特的DEGs，富集到周期蛋白依賴的蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶活性，而CA1錐體有51個獨特的DEGs，富集谷氨酸受體結合。CA2和CA3錐體層中沒有顯著影響基因。所以，CA1和DG受到睡眠剝奪的影響，而CA3區域的影響較小。
3. 睡眠剝奪會導致大腦皮層中特定層的轉錄變化
新大腦皮質是受睡眠剝奪的第二大影響，將空間數據集與Allen Brain Atlas的14000個成年小鼠皮質細胞分類學的參考scRNA-seq數據集，對空間數據集進行了反卷積。根據每個點的預測評分來識別新皮層的各個層，并在每一層進行差異基因表達分析。第2/3層和第5層在睡眠剝奪后受轉錄影響最大，分別有222個和225個顯著的DEGs。各皮層的差異基因分析顯示，在特定層中，獨特地富集不同的差異表達基因和分子功能，這可能與皮層內處理和皮層輸出中的差異功能有關。
4. 通過空間轉錄組學分析工具（STAnly）將切片注冊到一個共同的解剖參考空間，可以對整個大腦切片的轉錄組數據進行不受限制的分析
為了解決空間分辨率的損失，建立了一種分析工具：空間轉錄組學分析--STANLY，該工具將多個樣本的點排列到一個共同的解剖參考空間，即艾倫小鼠大腦圖譜的共同坐標框架（CCF）中，從而允許在不受限制的推理空間中逐點比較轉錄組。使用這種方法，在所有樣本切片中檢測到至少18893個基因在NSD和SD之間的表達變化。其中413個基因顯著差異表達，150個基因在所有顯著點顯示上調，22個基因在全部顯著點顯示下調，256個基因在整個樣本空間中同時出現上調和下調。這些DEG包括先前描述的，新皮層中，Per1、Nr4a1、Homer1和Arc上調，Rbm3和Cirbp下調。顯示出海馬體特異性變化，與去卷積方法中看到的變化類似。
參考文獻:
Vanrobaeys Yann,Peterson Zeru J,Walsh Emily N et al. Spatial transcriptomics reveals unique gene expression changes in different brain regions after sleep deprivation.[J] .Nat Commun, 2023, 14: 7095.
