Nat Neurosci | Matthias Mann团队空间蛋白组揭示多发性硬化症早期发病机制

2022-08-11 03:21:25, 景杰生物杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰生物 | 报道

多发性硬化症 (MS) 是一种常见的中枢神经系统致残性自身免疫性疾病，其主要临床特征为反复发作的脑、脊髓及视神经受损。大多数患者在初始病程中表现为复发缓解型 (RRMS)，其中绝大部分患者会发展到进展性疾病阶段。目前的疾病改良疗法在预防炎症性中枢神经系统浸润免疫细胞引起的白质损伤的复发非常有效，但是进展性MS (灰质萎缩和神经退行性变占主导地位) 对这种疗法反应较差，只能抑制部分的复发缓解疾病症状。因此，抑制疾病进展的药物开发是一项迫切的临床需求，但由于对MS复杂发病机制的理解还不够透彻而受到限制。基于此，越来越多的研究人员希望通过对MS患者死后脑组织中原位神经退行性变的潜在分子途径进行系统测量和了解，从而极大地促进进展性MS新治疗方案的开发。

2022年6月20日，蛋白质组学领域大咖，德国马普所Matthias Mann团队在国际神经领域权威期刊Nature Neuroscience (IF=28.771)上发表了题为Identification of early neurodegenerative pathways in progressive multiple sclerosis的最新成果。研究人员对人MS脑组织进行了空间蛋白组及空间转录组研究，并将得到的数据与他们已发表的单细胞RNA测序 (scRNA-seq) 和体内扰动模型数据相结合，在空间分辨神经退行性变的背景下，系统性地解剖了进展性MS的潜在疾病成分，确定与这些成分相关的配体-受体相互作用情况，并优先将中枢神经系统富含的受体作为新的药物靶点，从而弄清进展性MS的复杂发病机制。

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‍空间转录组追踪神经变性‍

为了系统地描绘跨皮质灰质区域的神经退行性路径，研究人员对死亡的13例进展性MS患者和5名对照组的37个新鲜冷冻皮质脑组织切片 (32个MS患者和5个对照组) 进行了空间转录组学研究。他们首先将这些组织切片进行HE染色，并挑选出174个神经退行性变区域进行重点分析，共获得了83256个灰质斑点转录组。平均每个转录组获得了4328个独特的分子标识符，检测到2191个基因。接着，为了追踪灰质中的神经退行性变，研究人员将完整的神经元特征映射到所有灰质斑点转录组中，通过对MS患者和对照组病例的结果进行比较，发现前者完整的神经元特征显著减少，表明MS患者在疾病进展过程中向MS相关的神经退行性变状态的转变。引人注目的是，以这种方式利用空间转录组学数据能够提高组织内和患者之间神经退行性变异质分布的分辨率。

图1 空间转录组学可以连续跟踪进展性MS的神经退行性变

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‍MS神经退行性通路作用于不同的细胞类型

为了表征进展性MS中神经退行性变的生物学过程，研究人员首先确定了在不同采样区域的不同神经元衰退阶段，其表达共同改变的基因模块。这些模块中具有代表性的生物学过程包括突触组装、突触通信和可塑性、神经元投射的调节、髓鞘形成、免疫细胞激活和组织重塑。相对于对照组，MS患者随着神经退行性变的加剧，其突触通信、突触可塑性和神经元投射维持相关模块的表达逐渐减少；相反地，映射到固有免疫细胞和星形胶质细胞中的与炎症和组织重塑相关的过程日益上调。有趣的是，少突胶质细胞驱动的髓鞘形成也随着完整神经元信号的减少而上调，这表明尽管髓鞘形成途径活跃，但在进展性MS中仍发生神经退行性变。

图2 神经退行性变涉及相互作用细胞类型的不同生物学过程

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‍空间蛋白组发现MS神经退行性变相关生物过程

为了在蛋白质水平上验证上述结论，研究人员首先利用14名进展性MS患者 (56个样本) 和7名对照组 (9个样本) 的65个灰质样本进行质谱检测，共鉴定出4541种蛋白质。然后，研究人员评估了在转录组和蛋白组都鉴定的4093个基因，以测试共表达模块和神经退行性变之间的多组学一致性。研究结果表明，绝大部分与神经退行性变相关模块的mRNA和蛋白质水平趋势一致，只有神经元投射模块和轴-树突蛋白运输模块的mRNA水平和蛋白质水平无关。

图3 高灵敏度蛋白质组学在蛋白质水平验证与MS神经退行性变相关的生物学过程

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‍MS神经退行性变的早期细胞间通讯

为了将多组学验证的疾病途径与细胞间通讯联系起来，研究人员需要确定随着神经退行性变而改变的配体-受体对情况。他们评估了灰质斑点转录组中1396个治疗配体-受体对的表达水平，获得了从空间尺度解析的428个配体-受体相互作用的表达数据。接着，为了确定MS神经退行性变早期细胞间通讯的机制，他们使用先前发表的生物学功能注释了每个配体-受体对的相互作用，其中最主要的相互作用是抗炎相互作用 (所有候选相互作用的25%，定义为免疫抑制)、促炎相互作用 (25%，定义为促进免疫反应)和营养相互作用 (31%，定义为促进发育、增殖或细胞存活的生长因子)。通过比较MS患者和对照组的配体-受体的相互作用情况，发现患者早期神经元衰退区域内的营养和抗炎细胞间通讯丢失。进一步地，研究人员在动物模型中验证相关靶基因在中枢神经系统损伤中的作用，研究证实了患者样本中与神经元损伤相关蛋白质具有与已发表的体内敲低和中枢神经系统 (CNS) 疾病模型一致的表型。

图4 空间分辨尺度的配体-受体相互作用组揭示了营养因子剥夺和解除的炎症调控过程

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‍MS神经退行性变的靶点发现

为了研究配体-受体相互作用与神经退行性变潜在过程之间的关系，他们推导了每个候选配体-受体对相互作用与所有模块的平均绝对相关性，相关性的得分范围为0.14到0.45，得分最高的5组是PSAP–GPR37L1 (0.45)、GAS6–TYRO3 (0.41)、CD47–SIRPA (0.40)、CADM3–CADM4 (0.40) 和FGF1–FGFR3 (0.38)。这些候选靶点具有强大的整体模块相关性，主要是由于中枢神经系统相关过程 (如突触通信和髓鞘形成)的正相关性以及与免疫相关过程的负相关性所驱动的。值得注意的是，对中枢神经系统具有广泛影响的靶点可能在全身其他器官中产生不良的副作用。因此，他们也观察了几个在中枢神经系统没有被富集到的受体。例如，PDGFRA与PDGFC的空间共表达与神经退行性变的生物学过程密切相关 (平均绝对相关系数，0.35)，在许多非CNS组织中表达 (CNS特异性评分，0.27)，有望成为潜在的MS治疗新靶点。另外，他们也观察到了中枢神经系统外的表达模式。例如，CADM3和GPR37L1仅在胫神经中表达，并且它们被认为发挥了与中枢神经系统类似的有益作用。另外，非中枢神经系统的SIRPA仅在血液中被观察到高表达，并且它被普遍认为是血液中的先天性免疫抑制因子。因此，在MS中靶向激活SIRPA有望对中枢神经系统和外周免疫系统产生理想的治疗效果。

图5 进展性多发性硬化症在神经退行性变机制的治疗新靶点

综上所述，研究人员对新鲜冷冻的人MS脑组织进行了空间蛋白质组学和空间转录组学研究，确定了导致进展性MS发病的多细胞机制，并追踪其与神经退行性变空间分布阶段相关的起源。通过解析局部微环境中的配体-受体相互作用，研究发现早期神经元衰退区域内的营养和抗炎细胞间通讯丢失，患者样本中与神经元损伤相关蛋白质具有与已发表的体内敲低和中枢神经系统 (CNS) 疾病模型一致的表型，表明它们具有作为进展性MS治疗潜在靶点的价值。该研究结果为药物研发提供了一个新思路，其基于对人类患病组织中促进这种衰弱性疾病复杂细胞和信号动力学的理解。