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  • Cerebral Cortex: 前额叶皮层颗粒细胞相关基因与精神分裂症的相关研究

    发布时间:2020-12-09    浏览次数:    作者:Admin

    论文发表

    天津医科大学总医院、天津市功能影像重点实验室于春水教授课题组利用艾伦脑图谱(Allen Human Brain Atlas, AHBA)的6个捐献脑组织的基因表达数据进行分析,得到前额叶皮层颗粒细胞相关的候选基因,候选基因与突触传递、细胞发育和分化等生物学过程有关,且与精神分裂症密切相关;并利用跨采样点的转录-神经影像空间关联分析,进一步筛选出与精神分裂症患者灰质体积改变相关的颗粒细胞候选基因。相关研究成果于近期在线发表在Cerebral Cortex2019年影响因子5.0435年影响因子5.924),题目为Prefrontal Granule Cell-Related Genes and Schizophrenia。天津医科大学总医院主治医师刘怀贵、许丽雪及博士研究生付继莲为本文共同第一作者,天津医科大学总医院于春水教授为本文通讯作者。

    前言

    人脑前额叶皮层的体积、细胞构筑特点和连接与其它动物相比均有较大改变。而精神分裂症是一种常见的以认知功能障碍为特征且遗传度较高的精神疾病,研究发现其认知功能障碍与前额叶皮层的损害密切相关。在灵长类动物中,尤其是在人类中,前额叶皮层的颗粒细胞和精神分裂症都是极具人类特异性的,但两者之间的联系尚不清楚。在本项研究中,根据颗粒细胞的丰富程度,将前额叶皮层分为四个不同梯度的亚区,利用线性相关分析筛选哪些基因的表达值符合梯度分布,进一步利用神经元富集分析筛选出与颗粒细胞相关的候选基因,并探索其相应的生物学功能及与精神疾病的关系。使用转录-神经影像关联分析来探究哪些颗粒细胞相关的候选基因与精神分裂症灰质体积变化有关。具体的实验流程见图1


    1. 研究设计流程图。

    基因表达数据的处理

    针对AHBA提供的2个全脑(数据集1)和4个半脑(数据集2)微阵列基因表达数据,按照最新研究提供的流程化预处理方式(基因信息的重新注释、数据过滤、探针的选择、采样点的分割、数据标准化及基因的筛选)对AHBA的基因表达数据进行了处理,最终采样点匹配到前额叶皮层、分别生成了219采样点×10185基因、206采样点×10185基因的表达矩阵(图1)。

    探索与颗粒细胞相关的候选基因

    根据前额叶皮层第IV层颗粒细胞(granule cell, GC)的丰富程度,将前额叶采样点分为4组,无颗粒细胞层、GC指数为1,发育不良的颗粒细胞层、GC指数为2,少颗粒细胞层、GC指数为3,富颗粒细胞层、GC指数为4。利用线性相关分析,筛选出10185个基因中与GC指数呈显著正相关的基因(P<0.05/10185, Bonferroni 校正),最终得到的基因被认为是可能与GC相关的候选基因。在AHBA提供的2个全脑数据(数据集1)和4个半脑数据(数据集2)中的结果分别是334个基因和779个基因的表达值符合GC梯度分布。

    先验研究利用单细胞RNA测序的方法提供了人脑不同细胞类型的基因表达数据库,其中神经元与其他细胞类型相比差异表达值在10倍以上的基因被认为是特异性神经元基因。因颗粒细胞属于神经元,本研究采用Fisher精确检验(P<0.05)来确定上述步骤得到的GC候选基因是否显著富集在人类大脑神经元。数据集1中的结果是17/334个基因显著富集在神经元中,在数据集2中的结果是33/779个基因富集在神经元中。最终我们选择两组数据重叠的结果共14个基因,认为其是与GC相关的候选基因(图2)。


    2. Circos显示每步分析中获得的结果因。最外圈的蓝色圆圈表示符合前额叶皮层颗粒细胞梯度表达的基因:334个红点代表数据集1中显著的基因,779个蓝点代表数据集2中显著的基因。阿拉伯数字代表基因所在的物理位置,蓝色圆圈的颜色梯度表示颜色越深,其相关的P值越显著。中间的橙色圆圈表示17/334(红色条)33/779(蓝色条)基因显著富集在人类神经元中;紫色条表示14个重叠的基因,这些基因被定义为与GC相关的候选基因。绿色圆圈显示4个稳定的GC相关的候选基因与精神分裂症密切相关。最内圈的红色和黄色圆圈表示与精神分裂症灰质体积改变显著相关的4个基因名称及P值。


    3. 六个代表性基因的表达值与GC指数的相关散点图。

    颗粒细胞相关的候选基因富集分析

    为探索颗粒细胞相关的候选基因的生物学功能,我们对其进行了GO富集分析,结果表明GC相关的候选基因主要富集在核受体活性和转录因子活性等分子功能,以及细胞分化和神经系统发育等生物学过程。

    利用GWAS分析和差异性表达分析得到精神分裂症、双相情感障碍和重度抑郁三种精神类疾病的数据库,探索了GC相关的候选基因与精神类疾病的关系。研究发现GC相关的候选基因中有4个基因(NRGN, PVALB, RARB, ZMAT4)与精神分裂症的GWAS结果和差异性表达结果稳定相关(图4)。图4展示了GC相关的候选基因与精神类疾病的富集分析结果。

    对于GC相关且与精神分裂症密切相关的上述4个候选基因,进一步探索其基因表达值与精神分裂症患者灰质体积改变的跨采样点空间相关情况。利用皮尔森相关分析发现4个基因均与精神分裂症患者灰质体积改变显著相关(P < 0.05Bonferroni校正)(图5)。


    4. 颗粒细胞相关的候选基因与精神类疾病的富集分析结果图。


    5. 四个GC相关的候选基因表达值与精神分裂症患者灰质体积改变之间的跨采样点相关散点图。

    结论

    我们首次探索了前额叶皮层颗粒细胞相关的候选基因与精神分裂症的密切关系,且部分颗粒细胞相关的候选基因与精神分裂症患者灰质体积的改变存在空间相关性。为未来探索前额叶皮层颗粒细胞与精神分裂症关系的生物学机制提供了新视角。