斑马鱼 Negr1 多效性疾病位点的细胞与分子普查
Cellular and molecular census of the pleiotropic disease locus Negr1 in zebrafish
作者在斑马鱼 Negr1 基因座构建敲入报告系统,结合单细胞转录组学、全脑配准与单神经元投射图谱,发现 Negr1 在脑部和视网膜神经元亚类、径向胶质细胞、星形胶质样细胞中呈分级表达,在少突胶质前体细胞中最一致;投射图谱揭示嗅球投射神经元、视顶周脑室投射神经元和小脑红核样细胞形成三大保守中枢。该多模态整合方法为人类疾病位点的高分辨病因学研究提供范式。
精准医学长期面临的一个难题,是弄清致病遗传变异究竟作用于哪些细胞。NEGR1 基因座就是典型例子:其常见非编码变异与异常广泛的人类性状相关,包括体重指数、重度抑郁、精神分裂症、自闭症谱系状况和厌食症,却始终没有发现可确立为致病的编码区功能缺失等位基因。既往研究主要在小鼠中进行:原位杂交显示 Negr1 在内嗅皮层和齿状回颗粒细胞高表达,敲除后影响轴突生长与行为 [2];Negr1 缺失小鼠还表现出脑室扩大、全脑及胼胝体、苍白球、海马体积缩小,海马小白蛋白阳性抑制性中间神经元减少,以及社交互动过度活跃和社会等级受损 [3]。与此同时,斑马鱼已被证明可用于大规模突变精神分裂症相关基因并绘制全脑活动、脑结构与行为表型图谱,从而在遗传关联与生物机制之间架桥 [1]。但一个关键前提一直缺失:若要检验“不同性状源自不同 Negr1 表达细胞群体”这一假说,必须先系统确定该基因在哪些细胞中表达,而这恰是此前研究未能给出的答案。
为此,研究者构建了针对斑马鱼 Negr1 位点的敲入报告品系,并将单细胞转录组与全脑配准、单神经元投射绘图相结合,对该基因座进行细胞与分子层面的普查。结果显示,Negr1 以梯度方式表达于脑和视网膜的多种神经元类别、放射状胶质细胞和星形胶质样细胞中,而最稳定、最一致的表达见于少突胶质前体细胞。投射绘图进一步提示三个保守的连接枢纽,分别由嗅球投射神经元、顶盖脑室周围投射神经元和小脑 eurydendroid 细胞构成。
相对于此前主要在特定脑区水平描述 Negr1 表达并分析敲除表型的工作 [2,3],这项研究把分辨率推进到全脑单细胞类型和单神经元投射层面,揭示出 Negr1 并非局限于少数脑区,而是跨越神经元与胶质谱系广泛表达。这一格局与论文的核心观点吻合:该基因座的多效性可能来自对一个广泛表达基因的剂量扰动,而非某一特定细胞类型的专属功能——这也与非编码变异致病、缺乏编码区因果等位基因的遗传学观察相呼应。
当然,目前得到的仍是一份表达与投射的“地图”,尚未直接验证在特定细胞群体中扰动 Negr1 剂量是否以及如何对应特定人类性状;数据也来自斑马鱼,其发现的三个枢纽与少突胶质前体细胞中的表达在人类疾病中的对应关系仍待后续病因学实验检验。正如作者所言,这一颗粒化的多模态数据集为在疾病模型中开展高分辨率病因研究提供了基础,真正的因果链还需在此基础上逐步建立。
- 1.Phenotypic Landscape of Schizophrenia-Associated Genes Defines Candidates and Their Shared Functions · Cell 2019
- 2.Neuronal Growth and Behavioral Alterations in Mice Deficient for the Psychiatric Disease-Associated Negr1 Gene · Front Mol Neurosci 2018
- 3.Neural cell adhesion molecule Negr1 deficiency in mouse results in structural brain endophenotypes and behavioral deviations related to psychiatric disorders · Sci Rep 2019
在斑马鱼中构建 Negr1 敲入报告系统,结合单细胞转录组与全脑投射图谱,揭示其在神经元与少突胶质前体细胞的分级表达及三大投射中枢,为多效性疾病位点的细胞溯源提供多模态范式。
来源:bioRxiv Genomics · biorxiv.org