撰文：楠烟不可言
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本文分析了从例接受神经外科手术的患者中分离出的原代人小胶质细胞的基因表达变异。通过单细胞和批量RNA测序，我们利用表达数量性状基因座（eQTL）定位来确定年龄、性别和临床病理对小胶质细胞基因表达的影响，以及哪些基因变异具有小胶质细胞特异性功能。研究使用人类诱导多能干细胞为基础的巨噬细胞模型来进行追踪，发现BIN1位点存在阿尔茨海默病的候选致病变异。本研究为人类中枢神经系统的发育和疾病提供了一个重要细胞的群体水平转录图谱。
近日由英国桑格研究所DanielJ.Gaffney研究组在《NatureGenetics》杂志上发表了一篇名为“Amapoftranscriptionalheterogeneityandregulatoryvariationinhumanmicroglia”的研究文章。小胶质细胞是中枢神经系统（CNS）组织内的巨噬细胞，在免疫防御、发育和稳态中起着重要作用。然而从人类组织或细胞中大量分离小胶质细胞是一个挑战。在本篇文章中，研究人员分析了从例接受神经外科手术的患者中分离出的原代人小胶质细胞的基因表达变异。通过单细胞和批量RNA测序，我们利用表达数量性状基因座（eQTL）定位来确定年龄、性别和临床病理对小胶质细胞基因表达的影响，以及哪些基因变异具有小胶质细胞特异性功能。研究使用人类诱导多能干细胞为基础的巨噬细胞模型来进行追踪，发现BIN1位点存在阿尔茨海默病的候选致病变异。本研究为人类中枢神经系统的发育和疾病提供了一个重要细胞的群体水平转录图谱。
小胶质细胞是中枢神经系统的组织驻留巨噬细胞，在突触修剪和神经元可塑性以及维持脑内局部免疫监视中起着关键作用。研究表明，小胶质细胞功能障碍与许多神经系统疾病有关，但目前还没有对小胶质细胞在群体水平上进行研究。在本研究中，研究人员对人类小胶质细胞进行了一项群体规模的研究，以了解年龄、性别、病理学、皮质解剖学和常见的种系遗传变异对小胶质细胞转录组的影响。研究所使用的患者样本是在在急性出血或创伤性脑损伤的几个小时内采集的，研究确定人类小胶质细胞急性激活的两个新特征。此外，研究使用了来自个由人类诱导多能干细胞倡议建立的人类诱导多能干细胞（iPS）系的诱导多能干细胞衍生的巨噬细胞（IPSDMac）以确定研究结果是如何在一个可扩展的小胶质细胞模型系统中复制的。
研究人员对名接受一系列神经外科手术的患者分离出的人类小胶质细胞进行了分析，其中包括脑积水、脑肿瘤和急性脑损伤（自发性出血和外伤）患者的皮质小胶质细胞样本，这些患者的实质受到严重损伤，这些样本使得研究人员能够捕捉患者体内小胶质细胞的激活。对单个个体，研究人员分离CD11b阳性细胞，并对其进行Smart-seq2和bulkRNA-seq。研究从名患者中保留了个大样本RNA序列和个单个细胞，并进行进一步分析（图1）。
在小胶质细胞中结果发现所有患者的一致性都很高。基于此研究人员确定了四个细胞群。通过检测它们在不同患者组中的相对丰度，确定了一个na?ve和三种不同的小胶质细胞激活状态。人群A在对照组和脑积水患者中最常见，而人群B，即确定为亚急性激活，在肿瘤患者中富集。在自发性出血和创伤性脑损伤患者中，两种急性激活群C和D很常见（占细胞总数的25–76%），但在其他疾病中很少见（5%）。为了进一步描述这些群体，研究人员进行了细胞群体间的差异表达分析。观察到小胶质细胞标记物，包括P2RY12和CX3CR1在A和B群中的高表达。种群C和D特别令人感兴趣，因为它们在这之前并没有被观察到。为了验证这一假设，研究人群特异性标记与阿尔茨海默病相关小胶质细胞20的差异表达基因和胶质瘤相关小胶质细胞21的标记基因进行了比较。这一分析证实，在以前的研究中发现的小胶质细胞群与数据集中的A或B群最为相似，并且激活的C和D群在转录上是不同的（图2）。
研究利用抽样设计使实验能够探索多种生物因素在决定小胶质细胞基因表达中的相对重要性，同时利用方差成分分析控制重要的技术混杂因素。在所有因素中，临床病理学解释的变异比所有其他因素加起来解释的更多，尽管除性别外的所有因素，包括年龄、大脑区域、优势半球和祖先，解释了一些与零显著不同的变异。尽管性别在整个变异中所占比例很小，但研究人员仍然发现了97个在男性和女性之间差异表达的基因，包括补体途径和突触剪枝机制中的多个基因（C1QA、C1QC和C3），这些基因在女性比男性表达更高。取样的解剖区域对转录变异也有影响，小脑小胶质细胞表现出明显的、不太分化的形态，增加了几种趋化因子（CCL4、CCL3、CCL4L2、CCL3L3）的表达（图3）。
接下来，研究通过比较小胶质细胞、单核细胞和IPSDMac使用三方经验贝叶斯层次模型来探究检测到的eQTLs的细胞类型特异性水平。研究结果发现了个小胶质细胞eqtl，其中个是小胶质细胞特异性的，个在所有三种细胞类型中共享，个与IPSDMacs共享，个在小胶质细胞和单核细胞之间共享。这一模型还估计了所有可能比较的共享eqtl的先验概率。值得注意的是，尽管单核细胞的样本量要大得多，结果估计小胶质细胞和单核细胞之间共享eqtl的概率很低（1%），小胶质细胞和IPSDMac之间共享eqtl的概率要高得多（32%），所有三种细胞类型之间共享7%的eqtl。
随后，研究人员测试了项全基因组关联研究（GWAS）风险位点与小胶质细胞EQTL的共定位，其中25项是广泛的神经系统指标，包括认知发育指标，如智力、青少年/青少年发病的神经精神障碍和神经退行性疾病。结果发现个独特的基因-性状组合，其中84个不同性状和个独特基因（不包括HLA基因）的小胶质细胞eQTL和GWAS基因座（PP4）之间的单一共享因果变异的后验概率大于0.5。每个性状共定位基因的数量很可能反映了研究的统计能力。例如，我们检测到13个中性粒细胞百分比的共定位，样本量也为。然而，我们确实观察到某些特征的共定位小胶质细胞eqtl过多，包括阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）和炎症性肠病，可能反映了已知的小胶质细胞或巨噬细胞参与了这些疾病的病理过程（图4）。
鉴于小胶质细胞参与神经退行性疾病，研究选择阿尔茨海默病对具有GWAS基因座的小胶质细胞eQTLs的同源性进行了详细分析。利用不同的ADGWAS，结果发现2和11AD风险位点的PP4大于0.5，且原发小胶质细胞中存在eQTL。接下来研究人员探究了这一方法是否也可以检测到与AD风险相关的11个原发性小胶质细胞eQTL中的任何一个。研究识别了三个AD关联信号（BIN1、EPHA1/EPHA1-AS位点和PTK2B），它们在原发性小胶质细胞和IPSDACeQTL中与eQTL共校准。最后，研究结果分析显示BIN1处的AD关联信号具有高度的细胞类型特异性，在原发性小胶质细胞和IPSDMac中发现，但没有其他细胞类型或组织。综合起来，研究结果表明，与载脂蛋白E外最大的AD共同变异关联之一可以使用一个可扩展的、相对简单的基于iPS的巨噬细胞模型进行研究（图5）。
总而言之，本研究通过对活体供体细胞的取样，确定了体内小胶质细胞激活的转录特征，同时确定了反映不同的体内急性激活状态两个小胶质细胞群体。除此之外，研究揭示了2号染色体BIN1基因附近众所周知的AD风险位点可能是由小胶质细胞特异性eQTL驱动的，提示BIN1在小胶质细胞中的拮抗作用对AD的治疗是有益的。本研究绘制了一组不同临床病理学的原发性人类小胶质细胞基因表达的群体图，展示了人类小胶质细胞对脑实质急性损伤的反应。研究提供了一个系统的探索小胶质细胞多样性的模型以及小胶质细胞的表达的参考数据集，为未来的功能研究神经退行性疾病机制提供了坚实的基础。
教授介绍
DanielJ.Gaffney，Well