IF31.7｜空间与单核转录组揭示阿尔茨海默病亚型的分子差异

整合空间转录组与单核测序，揭示DSAD与散发性AD的共享及独特病理机制。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

阿尔茨海默病（AD）的分子病因复杂，涉及遗传与环境因素。单核RNA测序（snRNA-seq）已揭示AD大脑中特定细胞群的改变，但空间背景对于理解这些转录组变化的功能后果至关重要。唐氏综合征（DS）患者因APP基因三倍体导致AD风险极高，其AD形式（DSAD）与散发性AD（sAD）在临床和病理上有相似之处，但缺乏单细胞或空间转录组层面的比较研究。此外，AD小鼠模型虽被广泛使用，但其与人类疾病的转化性仍存疑。

科学问题

卡在哪里： 此前研究缺乏对DSAD与sAD的系统性空间转录组比较，且AD遗传风险与特定空间基因表达程序之间的关联尚不清楚。同时，淀粉样蛋白病理微环境中的基因表达变化及其跨物种保守性仍有待阐明。

本文要回答： 利用空间转录组和单核转录组，比较DSAD与sAD的分子特征，鉴定与AD遗传风险和淀粉样蛋白病理相关的空间基因表达程序，并探索跨物种保守的淀粉样蛋白相关转录组变化。

技术路线

作者主要用了：空间转录组、snRNA-seq、成像质谱流式、免疫荧光、共表达网络分析。

作者首先对39例人脑前额叶皮层样本（对照组、早期AD、晚期AD、DSAD）进行10x Visium空间转录组测序，并对其中部分样本进行snRNA-seq。同时，对5xFAD小鼠模型在不同年龄点进行空间转录组测序。通过整合分析，鉴定疾病相关的空间基因表达变化，构建共表达网络，并结合AD遗传风险评分和淀粉样蛋白成像数据，揭示与病理相关的分子程序。

图 1　Fig. 1。图1展示了人类和小鼠空间转录组实验设计及样本信息，包括样本数量、基因中位数和聚类结果。人类样本分为9个空间簇（3个白质、6个灰质），小鼠分为15个脑区簇。同时展示了snRNA-seq数据整合后的UMAP图，标注了主要细胞类型。

核心亮点

亮点 1｜DSAD与sAD共享L3/L4层基因下调

差异表达分析显示，DSAD与晚期AD在多个空间区域共享大量差异表达基因（DEGs），尤其在L3/L4层出现显著基因下调。这些基因涉及长时程增强和淀粉样蛋白形成等通路，提示该层对AD病理的易感性。此外，21号染色体基因在DSAD中过表达，但APP在L3/L4层并未显著上调，表明区域特异性的表达调控。

图 2　Fig. 2。图2显示DSAD与对照组差异表达基因按染色体和空间区域的分布，突出21号染色体基因过表达的区域依赖性。热图展示共享DEGs在snRNA-seq中的表达，柱状图显示各区域DEGs的染色体来源，散点图展示诊断间效应量相关性。

亮点 2｜胶质炎症模块M11与AD遗传风险相关

通过hdWGCNA共表达网络分析，鉴定出15个跨皮层meta-modules。其中M11模块富含免疫反应和神经元死亡相关基因，在AD和DSAD的上皮层中上调，且其枢纽基因（如C1QB、C3、SERPINA3、VIM、CD44）与AD遗传风险显著相关。在5xFAD小鼠中，M11表达随年龄增加，并与AD风险评分相关，提示该模块在跨物种的疾病进程中发挥作用。

图 3　Fig. 3。图3展示共表达网络分析结果：166个模块聚类为15个meta-modules，热图显示DME分析的效应量。散点图比较不同疾病组DME效应量，线图展示疾病特异性模块表达变化，并显示M11模块与AD遗传风险的相关性。

亮点 3｜DSAD中细胞通讯通路失调

利用CellChat分析预测的空间细胞通讯，发现DSAD中NECTIN信号下调，涉及神经元间突触维持；ANGPTL信号在星形胶质细胞中异常激活，且ANGPTL4在DSAD星形胶质细胞中蛋白水平上调；CD99信号也下调。这些变化通过免疫荧光验证，表明星形胶质细胞在血管完整性调节中的作用受损。

图 4　Fig. 4。图4展示DSAD中性别差异表达分析：热图按染色体和区域展示女性vs男性DEGs，火山图显示显著性，柱状图显示各细胞类型中性别特异DEGs数量。免疫荧光验证C1QB在女性DSAD中上调，DME分析显示M11在性别间的差异调控。

亮点 4｜淀粉样蛋白相关基因表达具有构象特异性

结合Amylo-Glo（致密斑块）和OC抗体（弥散纤维）染色与空间转录组数据，鉴定出65个斑块相关和215个纤维相关基因。这些基因富集于中间丝组装、长时程增强和血脑屏障转运等通路。在小鼠中鉴定出1829个斑块相关和1759个纤维相关基因，与人存在部分重叠，其中M11枢纽基因VIM和CLU在跨物种中均与淀粉样蛋白相关。

图 5　Fig. 5。图5展示成像质谱流式（IMC）分析：UMAP图显示11个细胞群，热图展示各群蛋白表达差异。小提琴图显示淀粉样蛋白、磷酸化tau、CST3、CLU等蛋白在疾病组中的变化，验证了转录组发现。

亮点 5｜DSAD中性别特异的转录组差异

在DSAD中，女性样本在多个空间区域表现出广泛的基因上调，涉及炎症、氧化应激和葡萄糖代谢通路；男性上调基因则与选择性剪接和染色质组织相关。C1QB在女性DSAD所有区域上调，并在蛋白水平得到验证。此外，M11模块在晚期AD和DSAD女性中上调，而在早期AD男性中上调，提示性别依赖的疾病进展差异。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： 空间转录组、snRNA-seq、成像质谱流式、免疫荧光、共表达网络分析
• 公开数据： GSE233208
• 代码： 公开仓库 https://github.com/swaruplabUCI/DSAD_Spatial_Miyoshi_Morabito_2024；本地已克隆：DSAD_Spatial_Miyoshi_Morabito_2024
• 谁该点开原文： 从事神经退行性疾病、空间组学或单细胞分析的科研人员。

带走一句

空间转录组结合单核测序与病理成像，能揭示疾病亚型间共享及独特的分子程序，为AD的精准分型和治疗靶点发现提供新思路。