基于单细胞转录组的脑出血后胶质细胞表型转化机制研究

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目的:通过单细胞转录组测序探讨脑出血(Intracerebral Hemorrhage,ICH)后不同时间点小胶质细胞(Microglia,MG)和星形胶质细胞(Astrocyte,ASC)的表型转化规律,以及两者之间相互作用的机制。材料与方法:采用胶原酶立体定位注射法诱导脑出血小鼠模型,于造模后12h、1d、3d、7d及14d取血肿周边脑组织和假手术组对应部位脑组织进行基于BD Rhapsody平台的单细胞转录组学测序(sc RNA-seq),使用fastp、UMI-tools进行数据质控和建库。Seurat进行矩阵的二次筛选、降维和细胞分群;Single R鉴定细胞类型。随后提取小胶质细胞、星形胶质细胞进行二次分群、拟时序分析、并将提取的亚群差异基因进行KEGG通路富集、基因本体分析(Gene Ontology)、全基因集富集分析(GSEA)及全基因集变异分析(GSVA)等以推测细胞亚群的功能差异及其演变方向。提取出小胶质细胞和星形胶质细胞,使用Cell Chat分析细胞间相互作用。结果:6组样本中共得到33392个细胞的转录组数据。其中筛选出小胶质细胞17468个,星形胶质细胞2574个。根据C1q表达水平,将小胶质细胞分为C1q high MG和C1q low MG两组亚群,拟时序分析发现C1q low MG主要存在于ICH12h和1d的样本中,且Arg1和S100a6表达水平随时间递增,而C1qa、C1qb、C1qc以及Apoe表达水平随时间递减。C1qhigh MG可见于ICH后的所有时间点的样本中,其中ICH 12h和1d的样本呈AP-1激活;ICH 3d的样本Mki67及Top2a表达上调;ICH7d、ICH14d的样本C1qa/C1qb/C1qc/Apoe表达随时间递增。针对此2群小胶质细胞的差异基因富集分析示C1qhigh MG呈MAPK通路激活;C1qlow MG存在多种中枢神经系统退行性疾病相关通路的富集。GSVA提示小胶质细胞激活过程中出现糖酵解、磷酸戊糖途径及苯丙氨酸代谢途径的富集,而在糖胺聚糖的降解途径中,C1q high MG激活过程中富集分数增高,而C1q low MG则富集分数下降。在2574个ASC中,基于文献报道的Marker基因,将其分为5类,包括:(1)未成熟的A0细胞;(2)具间充质表型Am细胞;(3)高表达C3和Serping1的A1a细胞,高表达C1q的A1b细胞;(4)S100a10和Ptx3表达上调的A2细胞(A2a和A2b);(5)无上述特征的中间型ASC(Ai)。拟时序分析显示A1a型ASC活化的演变轨迹为A0→Am→A1a,这一过程中呈Vim、Gfap、C3和Serping1的上调;A2a型ASC活化的演变轨迹为A0→A2a,此过程中出现Vim、Gfap、S100a6、S100a10、Ptx3上调,伴Apoe、Gja1、Bcan、Tspan下调。富集分析显示A1a型ASC呈蛋白酶体相关通路的富集,而A2型ASC呈现促凋亡、缝隙连接相关信号通路、糖酵解及神经退行性疾病等途径的富集。Cell Chat显示MG通过VISTA相关的信号通路与ASC相互作用,此外C1q low MG与A0、A1型ASC相互作用涉及的可能通路包括:Tgfb通路、Spp1通路、Psap-Gpr37l1、Osm-Osmr、Nampt通路、Mif通路等。结论:本研究揭示ICH后产生促炎性转化与产生抑炎性转化的脑胶质细胞起源并不相同。C1q和Apoe的表达高低是区分小胶质细胞促炎/抑炎表型的良好标记物。ASC的间充质表型转化现象仅见于A1a型ASC的活化过程。MG通过VISTA相关信号通路与ASC相互作用,且C1qlowMG通过Tgfb、Spp1、Psap-Gpr37l1、Osm-Osmr等信号通路调控ASC的表型转化。
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