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上次總結了AD的生信研究思路，十種方式不要太多，今天來詳細了解一下如何從單細胞的角度深入了解阿爾茨海默病。“啃下這塊大骨頭”將會有助于我們去認識AD的分析結果到底為什么是這樣的。
前言
首先，阿爾茨海默病是一種與年齡相關的，被定義為腦實質中淀粉樣斑塊沉積和神經纖維纏結的疾病。已有的單細胞分析表明，阿爾茨海默病涉及幾乎所有主要細胞類型的復雜相互作用。下面將要介紹AD中細胞類型特異性的分子擾動，討論來自單細胞的基因組信息如何擴展現有的AD發病機制范式，并指出治療干預的新機會。
單細胞基因組學已經定義了小鼠和人類大腦中主要細胞類型的分析調控。分析來自不同AD病理階段個體的單個細胞的遺傳信息，揭示了AD中詳細的細胞類型特異性分子程序（圖1）。基因表達的bulk量化報告了群體水平，這掩蓋了可能驅動不同病理反應的特定細胞群的變化。
基于細胞類型標記的整體分析可能掩蓋了細胞內類型的異質性，如layer特異性神經元和非髓鞘化的少突膠質細胞。相比之下，單細胞分析揭示了主要細胞類型的不同子群中AD的不同弱點。
在不同細胞類型中差異表的基因與共享的信號基序有關。主要細胞類型的分子干擾集中在常見的信號通路上，識別通常被破壞的通路可能會揭示擾動的核心節點，對核心節點的進一步定義和操作可能為治療干預提供新的機會。這些常見的信號通路包括如脂質處理、免疫應答和代謝重編程等（圖2）。
①免疫信號。幾乎每種細胞類型在AD中都產生免疫反應，包括與細胞因子、趨化因子和MHC信號通路相關的轉錄反應。MHC信號通路可能與突觸可塑性和未折疊蛋白反應有關。在與AD相關的細胞類型中，低級別AD相關炎癥可能與代謝重編程有關。
②脂質處理。脂質信號對許多細胞功能至關重要，如感知和穿梭脂質物種，并適應質膜的動態重構，這是樹突棘、小膠質細胞突、星形細胞端足和節點結構可塑性所需的質膜。AD中許多腦細胞中脂質信號紊亂，強調了脂質信號和代謝的重要性。
③未折疊蛋白質反應。幾乎每一種主要的細胞類型都調節蛋白質的錯誤折疊途徑和整合的應激反應，并與此相關的線粒體功能，突出了AD細胞的能量中斷。這些發現表明，AD大腦的環境影響了未折疊的蛋白質反應和細胞應激，即使在沒有直接受到病理負擔的細胞中也是如此。
④DNA損傷和細胞衰老。神經元中的DNA損傷與衰老有關，并在神經退行性變中升高。DNA損傷對于即時早期基因表達相關的學習表達至關重要。AD中的許多細胞的DNA修復酶通路受損，這可能表明存在衰老狀態和核心細胞功能的喪失。
⑤血管相互作用。目前的研究開始描繪AD中復雜的血管細胞網絡。現有的數據集強調了與AD中神經血管耦合和血腦屏障功能障礙相關的多種腦組織類型的信號通路，包括已知調節血管細胞的炎癥分子的細胞類型特異性分泌。
一、興奮性神經元
突觸改變和神經元丟失在AD中已經得到了很好的證實，單細胞分析揭示了調節神經元功能障礙的分子程序（圖3）。一些snRNA-seq研究表明，來自AD患者的興奮性神經元改變了調節神經遞質釋放、突觸囊泡循環和谷氨酸代謝的基因。
組織學研究結果表明，AD中突觸后末梢缺失，一些差異表達的基因與突觸后支架分子、谷氨酸受體轉運和鈣調素信號傳導有關。原位雜交證實了其中一些發現。
抑制性突觸在成人大腦中具有高度的可塑性，并被認為能夠靈活地調節穩定的興奮性連接，在AD中其數量減少。這些發現反映在對抑制性突觸至關重要的基因表達的改變上，如對一些整合素基因的調節。
有髓鞘軸突的完整性對于長程投射至關重要，AD神經元中與神經元-少突膠質細胞相關作用相關的基因在AD神經元中被調節，如INGO1上調（髓鞘形成的負調節因子），這一發現在幾個轉錄組學和原位雜交研究中重復出現。以上這些轉錄變化表明，突觸元件不僅僅是在結構上丟失，而且控制其完整性的分子機制是失調的。
一些研究強調了AD神經元如何調節應激相關基因，特別是與伴侶介導的蛋白質折疊相關的基因（例如DNAJA1）。AD神經元中改變的基因也與線粒體易位酶、葡萄糖感應和糖酵解有關（例如，SLC2A3，編碼一種在富集于突觸末端的葡萄糖轉運體）。突觸線粒體對于持續的突觸療效至關重要，而轉錄譜為了解AD神經元中代謝程序被破壞提供了見解。
此外，非神經元細胞中的一些差異表達的基因聚集在最終影響神經元功能的通路上，如與突觸修剪和活性依賴的離子通道相關的基因。
這些結果突出了多種腦細胞類型參與感知和調節神經活動，并表明AD患者的神經回路功能障礙可能是多細胞信號級聯的結果。
定義那些選擇性易受功能障礙影響的神經元的遺傳特征也許可以揭示AD退化的分子邏輯。Tau蛋白聚集物在一些神經元內形成神經原纖維纏結，這是AD與神經元丟失密切相關的典型病理特征，攜帶纏結神經元的突觸基因發生了失調。
一項snRNA-seq研究顯示，BAG3（一種蛋白質毒性誘導的信號轉導的主要調節因子）調節tau蛋白穩態。在初級皮層神經元中的BAG3的減少導致tau蛋白積累，BAG3過表達減弱tau蛋白病理，表明與tau蛋白代謝相關的選擇性脆弱性可能部分受BAG3的控制。
同樣，轉錄因子RORB被認為可以標記調節與突觸蛋白和神經遞質受體相關的基因的纏結負擔神經元群。因此，RORB可能是選擇性脆弱神經元的標記物。相反，一些神經元可能優先對AD具有適應能力：一部分個體具有廣泛的淀粉樣蛋白和tau蛋白病理，但不表現出癡呆，因此仍需探究認知衰退恢復能力的分子基礎。
與年齡匹配的高病理和低認知的個體相比，MEF2C在高AD病理和認知正常個體的興奮性神經元中表達上調。
載脂蛋白E基因（APOE）的?4等位基因被認為是散發性晚發性AD最有效的遺傳危險因素。雖然APOE主要由星形膠質細胞和小膠質細胞表達，但其在單個神經元中的可變表達表明，一些神經元表達的APOE水平相對較高，這與細胞應激和死亡相關，表明神經元的APOE和MHC-I信號通路可能是驅動AD神經退行性變差異易感性的一個重要因素。另外，載脂蛋白對脂質轉運至關重要，而在AD神經元中被調節的其他脂質相關基因包括那些與膽固醇轉運相關的基因（例如NPC1，編碼一種溶酶體膽固醇轉運體，其功能的喪失與神經元死亡有關）和脂質信號傳導（例如，LAMTOR5，與內吞體/溶酶體轉運相關）。這些發現突出了在AD神經元中被破壞的復雜的脂質相關信號網絡。
神經元DNA損傷
神經退行性變中神經元的DNA損傷升高，人類神經元中的高DNA損傷在AD個體的差異表達基因中富集，表明AD神經元中的基因表達失調可能與DNA修復受損有關。DNA損傷可能是與代謝應激相關的細胞狀態開關的一部分。
例如，DNA損傷誘導轉錄本DDIT3的上調，可能與更廣泛的細胞應激程序有關。
二、中間神經元
中間神經元關鍵地塑造了同步的神經活動模式。在AD中，中間神經元與興奮性神經元有共同的轉錄變化，包括與代謝應激、離子轉運、DNA損傷和ErbB信號通路相關的基因。AD中間神經元中下調的基因包括典型的神經元間亞型的標記基因，包括SST、PVALB和VIP。神經元間神經肽被認為可以調節抑制回路、神經血管耦合，因此AD中受損的神經元間肽信號通路可能廣泛損害癡呆中的神經元信號通路。
三、小膠質細胞
小膠質細胞作為大腦的先天免疫細胞，密切參與免疫反應，如參與免疫球蛋白反應的基因VSIG4和FCGBP。AD中的小膠質細胞功能障礙可調節與突觸功能、吞噬作用和免疫反應相關的基因。小膠質細胞調節參與髓鞘形成的基因，以及參與軸突發生的基因（如UNC5C和SLIT2）。AD小膠質細胞也調節補體相關基因，如C1QC，它調節額突觸修剪。AD小膠質細胞中可能與淀粉樣蛋白反應相關的基因包括那些與小膠質細胞斑塊聚集表型相關的基因，比如細胞遷移（例如MYO1E）以及參與代謝重編程和細胞生長的基因（例如，編碼乙酰轉移酶的SAT1和核糖體亞基RPS19）（圖4）。
1.阿爾茨海默病小膠質細胞中的脂質代謝
TREM2在小膠質細胞中作為多種脂質的傳感器，而其p.Arg47His變異與AD風險增加和Akt信號通路增強相關。
在非AD個體的脂肪組織中，TREM2驅動一個參與吞噬作用、脂質分解代謝和能量代謝的基因表達程序，這表明TREM2可能廣泛調節巨噬細胞中的脂質相關代謝程序。
依據實驗研究強調的小膠質細胞中脂質感知和代謝的重要性，小膠質細胞的脂質代謝途徑在AD中被廣泛破壞。脂質代謝對于小膠質細胞快速重塑質膜以進行局部腦檢測和調節神經活動至關重要，這些發現表明靶向小膠質細胞脂質相關通路可能緩解AD病理。
2.神經元支持中的小膠質細胞擾動
小膠質細胞如何調節神經元回路越來越重要。小膠質細胞部分通過補體介導的突觸消除、fractalkine信號和嘌呤感應來調節神經計算，因此，一些研究表明AD小膠質細胞調節與補體、fractalkine受體和嘌呤受體。因此，AD患者的神經元功能障礙可能部分是由于小膠質細胞感知和控制神經元活動的能力的改變。
小膠質細胞代謝狀態的擾動，部分與細胞應激和糖酵解轉移相關，可能匯聚在，損害小膠質細胞調節神經元活動能力的信號通路上。
小膠質細胞狀態也可能與不同的GABAergic回路和錐體神經元亞型有關；因此，未來定義小膠質細胞-神經元串擾的工作可能揭示小膠質細胞控制AD神經元功能障礙的分子邏輯。
3.小膠質細胞炎癥的狀態轉變
Morabito等人進行了snATAC-seq和snRNA-seq，在表觀基因組和轉錄組水平上定義了AD相關的基因調控程序。AD中一些小膠質細胞有更多的SPI1開放結合位點（SPI1編碼髓系細胞分化的主調節因子PU.1）。PU.1可能在AD晚期小膠質細胞中作為轉錄抑制因子，而AD小膠質細胞中的一個復雜轉錄因子網絡（例如由ELF5、ETS1、ETV5和SPIC編碼）可能參與了AD中小膠質細胞狀態的轉變。的確，PU.1表達水平和PU.1依賴的轉錄控制被認為是調節小膠質細胞功能的關鍵所在，如小膠質細胞清除淀粉樣蛋白。單細胞轉錄組學和CRISPR推斷和激活篩選可能進一步揭示調節小膠質細胞狀態的基因程序。
四、星形膠質細胞
星形膠質細胞參與神經元營養支持、細胞外離子穩態和腦液平衡（圖5）。一些證據表明，AD中的星形膠質細胞會發生炎癥，損害神經回路功能，包括斑塊相關屏障和調節與脂質相關的信號網絡。單細胞基因組學揭示了AD中的星形膠質細胞調節與神經遞質循環、炎癥反應和脂質代謝相關的基因。AD中失調星形膠質細胞基因參與神經遞質受體、離子通道、甚至突觸相關的基因。AD星形膠質細胞還可以調節參與脂質代謝的基因，包括編碼磷脂酶的APOE和PLCE1。
1.星形膠質細胞代謝
星形膠質細胞是大腦中能量穩態的中心驅動因素。一些來自人類AD皮層的snRNA-seq研究表明，AD星形膠質細胞改變了與細胞應激相關的基因和與細胞應激相關的代謝重編程基因（例如CIRBP，CABLES和CSRP1），以及許多與星形細胞骨架結構重塑相關的基因（例如GFAP）和細胞外基質（例如變異基因VCAN和整合素基因ITGB8和ITGB4）。鑒于星形膠質細胞可能以一種區域特定的方式對損傷和神經退行性變后的大腦炎癥狀態做出關鍵反應和調節，這些發現強調了AD中星形膠質細胞代謝重編程的轉錄基礎。同時，AD星形膠質細胞中許多失調的通路聚集在脂質信號通路上。在AD星形膠質細胞中，與脂質合成和運輸相關的基因（例如LDLR）被干擾。AD星形膠質細胞的代謝重編程可能導致調節神經元回路的能力受損。
2.AD星形膠質細胞中的突觸通訊功能障礙
星形膠質細胞促進神經遞質穿梭和突觸營養支持，一些數據顯示，AD星形膠質細胞改變了與谷氨酸受體亞基相關的基因（例如GRIA2，GRM3和GRID2），與縫隙連接和離子轉運相關的基因在AD中失調。
轉錄因子AEBP1是主免疫信號調節因子NFκB的共激活因子，可能調節星形膠質細胞中AD相關的狀態轉變。TFEB編碼的主溶酶體調節因子在AD患者的星形膠質細胞中表達上調，鑒于TFEB對溶酶體通路的重要性，細胞內脂質相關過程的功能障礙可能是AD相關功能障礙的關鍵驅動因素。分泌細胞因子和脂質相關運輸的功能障礙可能代表了對AD病理的功能冗余的膠質反應。例如，小膠質細胞的代謝轉移可能部分與AD星形膠質細胞共享，它調節參與細胞生長和信號轉導的基因。這些變化共同突出了AD中主要細胞類型中常見的脂質相關和免疫相關信號通路。
五、少突膠質細胞
來自小鼠和人類大腦的單細胞轉錄組學數據反映了少突膠質細胞的高度異質性。在AD少突膠質細胞中受到干擾的分子程序反映了這些細胞的不同功能庫的改變，包括髓鞘形成、感知神經活動和免疫功能（圖6）。AD中的少突膠質細胞改變了與髓磷脂合成、脂質運輸、脂質代謝和免疫相關變化的途徑。少突膠質細胞前體細胞（OPCs，后文詳述）還改變了與神經遞質感知和免疫反應相關的基因的表達。
在AD少突膠質細胞中，許多髓鞘相關基因被干擾，如LINGO1的上調，CNTN2和OPALIN的下調。
LINGO1是髓鞘形成的負調控因子（在AD興奮性神經元中也會上調）；CNTN2和OPALIN被認為是調節軸突穩態的基因。
在AD早期的少突膠質細胞中參與髓磷脂產生的基因發生了改變，包括與基本細胞構建塊相關的酶的基因和髓鞘形成本身。來自人類大腦的幾項研究也強調了脂質運輸基因的改變，包括與載脂蛋白和脂質受體、溶酶體功能和溶質載體相關的基因。這些發現突出了與生物合成過程和脂質處理相關的細胞通路匯聚于髓磷脂合成，并可能部分揭示了少突膠質細胞功能障礙如何導致AD患者髓鞘形成的結構和可塑性的缺陷。
另外，髓磷脂的可塑性可能與少突膠質細胞感知神經活動的能力有關，如小白蛋白抑制性中間神經元上的感覺經驗依賴性髓鞘化重構，而與興奮性胼胝體投射神經元無關。記憶保存被認為需要新的髓磷脂形成，因此少突膠質細胞適應性監測神經活動和促進髓磷脂重塑的能力受損可能導致AD的認知能力下降。
1.少突膠質細胞的免疫和血管功能
在小鼠中進行的研究表明，AD少突膠質細胞可以調節與主要組織相容性類（MHC）-I和MHC-II相關的基因。AD中許多其他免疫途徑受到干擾，包括干擾素反應和炎癥。
少突膠質細胞也可能通過分泌調節血管細胞功能的生長因子來響應并參與血腦屏障的完整性。
少突膠質細胞也支持細胞外基質重塑，這是髓鞘再生的關鍵因素，而AD少突膠質細胞調節與膠原、層粘連蛋白和軟骨素相關的基因。其中一些變化可能反映了與白質損傷相關，這是AD中常見的臨床發現。
2.少突膠質細胞前體細胞（OPCs）
OPCs分布于灰質和白質中，調節神經活動，并具有免疫相關和血管相關的功能，而snRNA-seq反映了這些過程中OPC狀態擾動的改變。
與少突膠質細胞一樣，OPCs被認為可以動態地感知和調節神經活動。轉錄結果強調了OPC對電壓門控離子通道相關基因的調節，表明OPCs可能存在感知神經網絡能力的改變，這可能部分解釋了AD中適應性髓鞘形成和神經元完整性的功能障礙。OPCs調節免疫相關基因（例如，IFIT1），突出了炎癥和免疫機制在OPC介導的AD功能障礙中的潛在作用。
六、血管細胞的改變
血管功能的改變是大腦穩態的重要因素，血流減少可能出現在AD的早期。研究表明，AD中血管細胞改變了免疫信號、神經血管耦合和通透性。腦內皮細胞控制著離子、分子和細胞在血液和實質之間的運動，這是一系列統稱為血腦屏障的特性。來自AD患者的snRNA-seq數據揭示了許多血腦屏障過程中的轉錄擾動，包括緊密連接、溶質轉運體和粘附分子的改變。
周細胞位于基底膜中，并包裹著毛細血管。周細胞表達參與肌動球蛋白收縮的基因，這與功能證據表明周細胞收縮性控制著血管動力學（例如，通過控制毛細血管連接處的血流和調節基地毛細血管直徑）相一致，這可能有助于AD相關的低灌注。綜上所述，這些研究為AD患者與神經血管耦合和血腦屏障完整性的血管功能障礙中的周細胞功能障礙的觀察提供了轉錄組學證據。
未來方向
單細胞圖譜揭示了AD中細胞類型特異性的改變，并突出了跨細胞類型的功能失調的核心信號通路。將遺傳信息與其他細胞功能的指標相結合，將增強我們對不同細胞類型中AD改變的理解。進一步描述AD中功能失調的不同神經元微電路和細胞類型，以及定義哪些細胞狀態有助于腦脊液和血漿生物標志物，可能導致定義AD進展的細胞底物的新框架。通過識別脆弱的細胞類型和產生它們的分子程序，治療干預可能會逆轉異常的細胞軌跡。雖然許多轉錄改變是細胞類型特異性的，但這些變化最終可能匯聚在跨細胞類型的共享信號通路上，這些信號通路可能代表了新的治療策略的靶點。
