《Biological Psychiatry Global Open Science》：Rare Copy Number Variants Reveal Critical Cell Types and Periods of Brain Development in Neurodevelopmental Disorders
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為探究神經發育障礙（NDDs）病因，研究人員整合超百萬單細胞轉錄組數據，分析 127 個與 NDDs 相關的拷貝數變異（CNVs）。結果發現 3 組 CNVs 在不同細胞類型和發育階段有差異表達，這有助于理解 NDDs 發病機制。
在神經科學的神秘世界里，大腦發育如同一場精妙絕倫的交響樂，每一個音符都至關重要。然而，神經發育障礙（NDDs）卻像是不和諧的雜音，打破了這場美妙的演奏。NDDs 嚴重影響患者的認知、運動、社交等技能，給個人、家庭和社會帶來沉重負擔。
過去的研究發現，人類基因組中存在多種拷貝數變異（CNVs），這些結構變異約占人類基因組的 5% - 10%，并且與 NDDs 密切相關。與常見風險變異相比，CNVs 的效應量更大、外顯率更高，對研究 NDDs 的病因有著不可估量的價值。但目前對 CNVs 影響大腦發育和成熟的機制仍知之甚少。以往的研究多采用小鼠模型，然而小鼠模型存在諸多局限性，無法完全模擬人類大腦的復雜性，也無法研究人類特異性基因的作用。同時，體外研究不能涵蓋人類大腦的全部細胞多樣性，傳統的批量 RNA 測序和組織學方法也難以描述 CNVs 對單個細胞類型的影響。在這樣的背景下，開展一項能夠直接在人類組織中研究 CNVs 與 NDDs 關系的研究迫在眉睫。
為了深入探究 NDDs 的發病機制，研究人員整合了來自多個數據集的超過 100 萬個單細胞轉錄組數據，這些數據涵蓋了人類大腦的主要區域以及從胚胎發育到成年的整個時間線。通過對 127 個與 NDDs 相關的 CNVs 中包含的基因進行表達加權細胞類型富集分析，試圖找出人類腦細胞類型、大腦區域以及最易受基因劑量變化影響的發育時期。該研究成果發表在《Biological Psychiatry Global Open Science》上。
研究人員主要運用了以下關鍵技術方法：首先，收集并整合了多個單細胞轉錄組數據集，包括胎兒期 4 個 scRNA - seq 數據集、成熟期 3 個 snRNA - seq 數據集和成人期 1 個 snRNA - seq 數據集。然后，利用 Seurat R 包對數據進行預處理，通過 Conos 進行數據整合，并依據已知細胞類型標記對細胞進行注釋和聚類。此外，運用表達加權細胞類型富集（EWCE）分析等方法研究 CNV 基因的表達情況。
下面來看具體的研究結果：
- 胎兒期罕見 CNV 基因在興奮性和抑制性神經元中的富集：研究人員整合了胎兒期的 4 個 snRNA - seq 數據集，涵蓋了多個大腦區域和發育階段。通過對 CNV 位點的基因表達進行分析，將 CNVs 分為 A、B、C 三組。結果發現，A 組和 B 組 CNVs 的基因表達在胎兒腦發育早期顯著富集，A 組主要富集在發育中的神經元，B 組主要富集在祖細胞（尤其是徑向膠質細胞），而 C 組在胎兒期無顯著富集。
- 罕見 CNV 位點富集基因參與突觸傳遞和神經遞質釋放：進一步研究發現，A 組和 B 組 CNVs 基因表達的顯著富集并非由少數基因導致，而是多個基因共同作用的結果。通過對基因本體（GO）分析發現，A 組 CNVs 在神經元中的功能與調節突觸功能和神經元細胞死亡相關；B 組 CNVs 在前體細胞中的功能與細胞增殖和細胞周期相關。
- 罕見 CNV 位點基因在關鍵產后年齡和關鍵細胞類型中也有富集：人類大腦發育是一個漫長的過程，產后仍有持續的成熟過程。研究人員分析了產后階段的數據集，發現 A 組 CNVs 在產后無富集，B 組 CNVs 在產后大腦成熟過程和成年期廣泛富集，C 組 CNVs 在 1 - 2 歲時在少突膠質細胞中有特異性富集。此外，不同組 CNVs 在不同神經元亞型中也有不同的富集模式。
- 神經精神疾病常見風險變異與 NDD 相關罕見 CNV 基因在胎兒期和產后發育中的富集差異：研究人員對比了 3 種神經精神疾�。ň穹至寻Y（SCZ）、雙相情感障礙（BiD）、重度抑郁癥（MDD））的常見風險變異和 NDD 相關罕見 CNV 基因的富集情況。結果發現，常見風險變異在胎兒期主要富集在未成熟的興奮性和抑制性神經元中，在產后階段，不同疾病的風險變異在不同細胞類型中有不同的富集模式，且與 NDD 相關罕見 CNV 基因的產前表達存在顯著差異。
研究結論和討論部分表明，該研究通過整合遺傳學數據和單細胞轉錄組數據，預測了 NDDs 中最易受影響的細胞類型和發育階段。研究發現 NDD CNV 基因可分為 3 組，它們在發育階段和細胞類型中的基因表達富集模式不同。早期胎兒階段，A 組和 B 組 CNVs 在關鍵祖細胞和未成熟神經元中的高表達，對大腦區域發育至關重要，任何擾動都可能影響大腦結構和功能。產后階段，不同組 CNVs 在不同神經元和神經膠質細胞亞型中的差異富集，有助于解釋攜帶常見或罕見風險變異個體的大腦表型差異。同時，研究還確定了 NDD CNVs 可能干擾的關鍵細胞通路，如 A 組 CNVs 與突觸信號傳導和神經傳遞相關。然而，該研究也存在一些局限性，如未獲取 CNV 攜帶者的 snRNA - seq 數據，可能存在分析偏差，且未確定驅動基因。盡管如此，該研究為理解 NDDs 的發病機制提供了重要線索，結合不斷發展的人類體外模型和高分辨率單細胞組學技術，有望為發現疾病機制和開發新的治療方法開辟新的道路。
