Science：3D基因组重塑在阿尔茨海默病病理中的重要作用

近年来，对阿尔茨海默病（AD）机制的探索中，除了神经元与胶质细胞群中存在与AD病理特征、认知障碍及疾病抵抗力相关的独特转录特征外，也有一些单细胞表观基因组学研究揭示了晚期AD中广泛的染色质可及性变化，提示


表观遗传学失调




可能在神经元功能障碍和细胞身份丧失中发挥关键作用。

从表观遗传学角度来看，基因活性会受到基因组在细胞核内3D空间折叠方式的影响，这会如何影响AD中细胞类型特异性的转录失调还没有得到研究。

在今天的


《科学》




杂志上，美国匹兹堡大学、华盛顿大学和卡内基·梅隆大学的研究人员合作发表了一项新的研究成果[1]。他们




在主要脑细胞类型中观察到AD中基因组接触模式的可重复性变化，即长程相互作用增加，转录活跃与非活跃基因组区室之间的混合增加，区室分隔减弱。

在染色质可及性标记的调控元件处，启动子近端相互作用减弱，中程调控相互作用相对突出。与此同时，研究人员观察到了AD相关的关键细胞程序变化，包括小胶质细胞的衰老相关激活，以及X染色体基因的性别依赖性失调，并伴随相关位点的


3D基因组




变化。

深度学习模型显示，3D基因组特征能够提供超越DNA序列本身的信息，对于预测与疾病相关的、细胞类型特异性的基因表达变化至关重要。

研究人员采用GAGE-seq（基因组结构与基因表达测序技术）对10例AD患者和10例非AD对照死后的前额叶皮层样本进行了分析，这种测序技术可以在同一个细胞中同时检测基因表达和基因组内的物理接触。

最终的分析保留了23825个高质量细胞，平均每个细胞包含22704个唯一分子标记（


UMI




），2477个表达基因和288931个染色质接触点，仅通过3D染色质接触模式就能够识别出主要的神经元和胶质细胞群。

差异化表达基因（DEG）分析显示，神经元基因表达下调，而胶质细胞DEG相比神经元较少。

通路富集分析显示，


兴奋性神经元中多种与AD相关的特征信号富集，包括线粒体功能和mRNA代谢通路上调，符合代偿性应激反应的表现，同时伴随脂质代谢、线粒体氧化磷酸化和突触信号等的下调，表明代谢功能受损。

星形胶质细胞表现出氧化应激、脂质储存和程序性细胞死亡的上调，符合


反应性胶质细胞




状态。小胶质细胞表现出最高的衰老评分，其衰老细胞比例最大。




相较于神经元，胶质细胞中上调的衰老标志物其基因体3D染色质接触评分显著更高，其中小胶质细胞中的效应最为明显。衰老相关分泌表型（SASP）相关特征广泛分布于各胶质细胞中。

值得注意的是，


血管软脑膜细胞（VLMC）和内皮细胞呈现高衰老和SASP评分，以及衰老细胞比例，与AD相关内皮细胞衰老的最新证据一致，并揭示了此前未报道过的VLMC衰老状态。

另外，研究人员还发现AD相关转录调控异常及大规模3D基因组重塑均存在性别依赖性差异，


X染色体失活逃逸基因表现出明显失调，并伴随对应的3D染色质结构变化


。

将基因组划分为转录活跃区（A）和抑制区（B）后，AD与非AD样本之间具有相似的接触谱，但是在几乎所有细胞类型中，均观察到


AD样本中长程染色质相互作用比例持续且显著的增加，A区与B区之间的染色体内混合显著增加，A-A和B-B同型相互作用减少，区室分离减弱，并伴随转录活性下降，这构成了AD的独特染色质变化特征。

这种区室混合的现象与代谢和RNA加工程序的上调相关，同时与和神经元以及基础维持基因程序的下调相关。

这些染色质重组现象让研究人员猜测，与染色质相互作用相关的候选顺式调控元件（cCREs）可能受到差异性影响。整合GAGE-seq和单核转座酶可及染色质测序（snATAC-seq）数据的分析显示，


AD细胞中启动子与附近调控元件的接触减少，同时中程调控相互作用异常增强


。这些结构改变很可能导致AD患者出现广泛的转录失调。

研究人员还开发了一个深度学习框架Hicformer，通过整合DNA序列与多分辨率3D基因组特征来预测基因表达。他们发现，单靠DNA序列无法充分解释AD相关的基因表达变化，必须


结合3D基因组特征才能准确预测基因表达


。

综上所述，这项研究建立了一张高分辨率、多模态AD转录和3D基因组变化图谱。通过对单细胞转录组和染色质结构的联合分析，识别疾病特异性的调控变化、结构标志以及基因失调的预测特征，为理解神经退行性疾病中的基因组结构提供了新的见解和广泛适用的框架。

最后，





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