如再被问及“空间单细胞组学，是如何帮助我们提升对医学疾病的理解”时，我会列举这篇论文来讲述......
帕金森氏疾病是中老年人常见的神经退行性疾病，其主要病理特征为中脑区域深处结构黑质致密部释放的多巴胺神经元发生变性退化。然而，即便在帕金森氏病恶化的晚期阶段，仍有一部分多巴胺神经元，还在黑质致密部中努力地存活着......
死于帕金森病的患者脑组织中产生多巴胺神经元(绿色)
麻省理工学院和哈佛Broad研究院的Stanley精神研究中心的 Evan Z. Macosko 教授及其同事，通过比较帕金森病和从未被诊断患有该病的老年人在死后脑样本的单细胞基因表达模式，首次将黑质结构中多巴胺神经元分成10种不同细胞亚型，其中一种细胞亚型似乎特别容易收到致病基因突变的影响。
Nat Neurosci. 2022 May;25 (5) : 588-595.
研究发表在5月5日的 Nature Neuroscience (IF 24.884) 期刊中，让人们更清楚地了解帕金森氏疾病是如何发生，还有助于寻找到更好的治疗方法。
单细胞转录组学
在死亡供体大脑组织样本中，黑质组织结构存留的多巴胺神经元数量非常稀少，收集足够多的细胞成为相当棘手的一项挑战。Macosko 实验室使用流式荧光细胞核分选技术，高度富集那些表达有哺乳动物中脑多巴胺神经元特异性转录因子的细胞核，以提供足够多数量的巴胺神经元开展单细胞核 RNA 测序 (snRNA-seq) 。
多巴胺神经元流式分选方法示意图
样品类型：健康中脑和背侧纹状体(尾状核)组织
悬液类型：神经元细胞核
供体数量：8
仪器平台：10x Genomics
细胞数量：15,684 个
人类黑质结构中多巴胺神经元的单细胞转录图谱
按照单细胞的转录模式特征，将黑质中多巴胺神经元分为 10 种不同细胞亚群。研究团队又对死于帕金森病路易体痴呆的 10 名患者中脑黑质的神经元，进行相同方式的单细胞核RNA测序。比较两组供体样本的细胞亚群差异，发现其中一种以 AGTR1 基因作为表达标志物的细胞亚群，在帕金森氏病患者的脑中细胞数量急剧降低，表明这一类细胞受到疾病恶化进展的影响程度最大。
空间转录组学
团队成员继续使用高分辨率空间转录组学测序工具 RNA Slide-seq 技术，在食蟹猴脑切片上对上述多巴胺神经元的细胞亚群进行空间定位，试图锁定那些随帕金森氏病患者病情恶化而逐渐消失的神经元细胞，其在黑质组织结构中的确切位置。
大脑中多巴胺神经元亚型的空间定位
空间转录组学分析发现，其中以 SOX6_AGTR1 表达作为标志物的神经元亚群大多都分布在中脑的腹侧层部位，单分子原位杂交 (smFISH) 实验，也能够证实这种疾病相关神经元的聚集分布特征。这类神经元亚群在帕金森氏病患者死后相应脑组织的单细胞转录组中，也确实如同预期近乎消失了一样。
帕金森病患脑中，SOX6_AGTR1 亚型多巴胺神经元的量化指标
帕金森氏病患者 SOX_AGTR1 神经元细胞有多种基因发生转录变化，涉及几种典型的细胞应激通路：例如，与细胞凋亡过程相关的转录因子 TP53 ，在即将凋亡的细胞中具有表达活性，就很可能参与引发细胞凋亡的特定机制；核受体超家族成员 NR2F2 基因编码的转录因子，已经被证实能够引发线粒体功能性障碍疾病。
SOX6_AGTR1 神经元亚型相关的遗传富集和转录因子
研究意义
上述研究意义重大，这是首次对帕金森氏病患者和健康对照供体的多巴胺神经元进行单细胞核测序。研究结果有助于解释一个有关帕金森氏病的长期不解之谜：为什么这类特殊多巴胺神经元亚群会退化，甚至凋亡？与其他类型细胞、或与那些未曾患有帕金森疾病的相似细胞相比，由于这些临死的神经元细胞表达了很多与细胞凋亡相关的风险基因。
展望未来，科学家一直努力在培养皿中设计多巴胺神经元细胞，用以移植替换患者大脑中缺失的多巴胺神经元。这项研究发现更易受到疾病影响的脆弱神经元基因实际表达特征，将有助于找到应该尝试替换哪些神经元亚型。