空间和单细胞转录组学联合分析，表征缺血小鼠脑的分子和细胞架构

发表时间：2024年2月7日

通讯单位：东南大学、南京航空航天大学

期刊：Science Translational Medicine

神经炎症被认为是脑缺血后的关键病理事件。然而，对非神经元细胞的分子和空间特征以及缺血性脑中细胞类型之间的相互作用的了解有限。

研究利用空间转录组学分析小鼠中风后的缺血脑半球，并对19,777个位点的转录组进行了测序，以可视化分析组织内的转录组概况，并确定与特定组织学实体相关的基因表达谱。

研究还利用单细胞RNA测序鉴定的细胞类型，证实并丰富了缺血半球梗死周围区域缺血相关基因表达的空间注释。通过对细胞通讯中配体-受体相互作用的分析，揭示了半乳糖凝集素-9-细胞表面糖蛋白CD44（LGALS9-CD44）是缺血性损伤后的关键信号通路，并确定了小胶质细胞和巨噬细胞是脑卒中后半乳糖凝集素的主要来源。

细胞外囊泡介导的Lgals9递送可改善光血栓性中风小鼠的长期功能恢复。敲低CD44可部分逆转这些治疗效果，抑制少突胶质细胞分化和髓鞘再生。

总之，研究提供了小鼠中风模型中梗死周围区域的详细分子和细胞特征，并揭示了Lgals9作为潜在的治疗靶点，值得进一步研究。

图1脑卒中后小鼠脑缺血半球的空间转录组学分析。

(A)实验设计与分析示意图。术后第3天对小鼠实施安乐死，假手术小鼠或光栓疗法（PT）小鼠的4个冠状脑组织切片每隔1.20 mm进行空间转录组学（ST）处理。分别从10只接受PT治疗的小鼠和10只接受假手术的小鼠的梗死周围提取两个单独区域，进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）。两个数据集的多模态交叉分析揭示了细胞种群和亚种群的空间分布；

(B)19777个转录组谱的t-SNE图；

(C)使用位置聚类识别大脑区域；

(D)PT组和假手术组各脑区top基因的缩放表达热图。

图2缺血性脑半球基因表达的空间特征。

(A)对比PT小鼠和假手术小鼠大脑的差异基因表达分析，显示了空间转录组学描述的所有脑区上调和下调的基因。

(B)对应区域内每个聚类的DEG数量可视化。

(C)IIGs识别示意图。

(D)柱状图显示前10个显著GO项；

(E)功能聚类网络。

(G)比较PT切片1（左）和sham切片1（右），每个聚类所选基因的缩放表达。

图3梗死周围单细胞空间结构。

(A)PT组和假药小鼠梗死周围皮层相应区域12个主要细胞群的t-SNE分析。

(B)基于已建立的标记基因的表达进行细胞类型注释。

(C)特征图显示已知标记的表达。

(D)基因转录本的概率细胞图。

图4梗死周围区域的细胞通讯。

(A)sham和PT样品的细胞相互作用权重/强度。

(B)sham和PT样品中细胞相互作用的数量。

(C)利用定量对比识别不同条件下的信号变化。

图5 scRNA-seq和空间转录组学揭示了小胶质细胞和巨噬细胞的异质性。

(A)代表性RNAscope图像，分析Tmem119（小胶质细胞标记物）和Lgals9的共定位。

(B)通过小胶质细胞重聚鉴定的5个细胞群的t-SNE。

(C)各种小胶质细胞亚型的百分比和细胞数量。

(D)柱状图显示了每个集群中三个代表性标记的基因表达。

(E)活化小胶质细胞亚型的空间特征图。

(F)Lgals9在各小胶质细胞亚型中的表达小提琴图。

(G)小胶质细胞亚型Lgals9表达的点阵图。

(H)巨噬细胞重聚鉴定的四种细胞群的t-SNE。

(I)点阵图显示所选5个基因在各巨噬细胞亚型中的表达情况。

(J)巨噬细胞亚型空间特征图。

(K)Lgals9在各巨噬细胞亚型中的表达小提琴图。

(L)巨噬细胞亚型Lgals9表达的点阵图。