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変異型SOD1マウスの脳幹の単細胞RNA-seq解析により、筋萎縮性側索硬化症の細胞型と経路が変化していることが明らかになった
Single-cell RNA-seq analysis of the brainstem of mutant SOD1 mice reveals perturbed cell types and pathways of amyotrophic lateral sclerosis.
PMID: 32360664 DOI: 10.1016/j.nbd.2020.104877.
抄録
筋萎縮性側索硬化症（ALS）は、脳と脊髄全体の運動ニューロンが徐々に変性し、筋萎縮、麻痺、死に至る神経変性疾患である。最近のALSモデル動物を用いた研究では、脊髄運動系におけるALSの発症に複数の細胞タイプ（アストロサイトやミクログリアなど）が関与していることが示唆されています。我々は、口腔運動機能を司る脳幹におけるALSの脆弱性と細胞型特異的メカニズムを明らかにするために、ハイスループットのDrop-seq法を用いてシングルセルRNAシークエンス（scRNA-seq）解析を並行して行った。野生型と変異型SOD1症候性マウスの脳幹から、それぞれ生後100日目に1894個と3199個の細胞を分離した。その結果、インターニューロンや運動ニューロン、三叉神経節（TG）末梢感覚ニューロンなどの既知の主要な細胞型とニューロン亜集団、およびこれまでに明らかにされていなかったインターニューロン亜型を発見した。その結果、ALSマウスでは、これらの細胞タイプの大部分がトランスクリプトーム解析で変化を示すことがわかった。その中には、炎症（ミクログリア）、ストレス応答（上衣細胞と未同定の細胞集団）、神経新生（アストロサイト、オリゴデンドロサイト、ニューロン）、シナプス組織と伝達（ミクログリア、オリゴデンドロサイト前駆細胞、ニューロンサブタイプ）、ミトコンドリア機能（未同定の細胞集団）など、これまでに知られていたALSの経路が含まれていました。SOD1変異体脳幹で変化した他の細胞型特異的なプロセスは、運動ニューロン（軸索再生、興奮性の基礎となる電位依存性ナトリウムおよびカリウムチャネル、カリウムイオン輸送）、三叉神経感覚ニューロン（感覚知覚に関与する温度刺激の検出）、および有毒物質に対する細胞応答（未解明の細胞集団）からのものが含まれています。細胞型間で一貫して変化しているDEG（例えば、Malat1）だけでなく、細胞型特異的なDEGも同定された。重要なことは、様々な細胞タイプのDEGが、文献に記載されている既知のALS遺伝子や、既存のヒトALSゲノムワイド関連研究（GWAS）のトップヒットと重複していることであり、ALS遺伝子が機能している可能性のある細胞タイプがALSの発症に関与していることを示唆していることである。我々は、ALSモデルマウスを用いて、脳幹で変化している細胞タイプ、遺伝子、経路について、単一細胞分解能での分子生物学的研究を行い、包括的な知見を得ることができました。
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease in which motor neurons throughout the brain and spinal cord progressively degenerate resulting in muscle atrophy, paralysis and death. Recent studies using animal models of ALS implicate multiple cell-types (e.g., astrocytes and microglia) in ALS pathogenesis in the spinal motor systems. To ascertain cellular vulnerability and cell-type specific mechanisms of ALS in the brainstem that orchestrates oral-motor functions, we conducted parallel single cell RNA sequencing (scRNA-seq) analysis using the high-throughput Drop-seq method. We isolated 1894 and 3199 cells from the brainstem of wildtype and mutant SOD1 symptomatic mice respectively, at postnatal day 100. We recovered major known cell types and neuronal subpopulations, such as interneurons and motor neurons, and trigeminal ganglion (TG) peripheral sensory neurons, as well as, previously uncharacterized interneuron subtypes. We found that the majority of the cell types displayed transcriptomic alterations in ALS mice. Differentially expressed genes (DEGs) of individual cell populations revealed cell-type specific alterations in numerous pathways, including previously known ALS pathways such as inflammation (in microglia), stress response (ependymal and an uncharacterized cell population), neurogenesis (astrocytes, oligodendrocytes, neurons), synapse organization and transmission (microglia, oligodendrocyte precursor cells, and neuronal subtypes), and mitochondrial function (uncharacterized cell populations). Other cell-type specific processes altered in SOD1 mutant brainstem include those from motor neurons (axon regeneration, voltage-gated sodium and potassium channels underlying excitability, potassium ion transport), trigeminal sensory neurons (detection of temperature stimulus involved in sensory perception), and cellular response to toxic substances (uncharacterized cell populations). DEGs consistently altered across cell types (e.g., Malat1), as well as cell-type specific DEGs, were identified. Importantly, DEGs from various cell types overlapped with known ALS genes from the literature and with top hits from an existing human ALS genome-wide association study (GWAS), implicating the potential cell types in which the ALS genes function with ALS pathogenesis. Our molecular investigation at single cell resolution provides comprehensive insights into the cell types, genes and pathways altered in the brainstem in a widely used ALS mouse model.
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