Interpretación de la literatura|La secuenciación de células individuales combinadas con transcriptoma espacial revela subtipos de astrocitos neuroinflamatorios
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Subtipos de astrocitos neuroinflamatorios en cerebro de ratón
Subtipos de astrocitos neuroinflamatorios en cerebro de ratón
Revista publicada: Nature Neuroscience (IF: 24.884);
Fecha de publicación: octubre de 2021;?
Tecnología de aplicación: secuenciación de transcriptoma unicelular genómico 10x; secuenciación de transcriptoma espacial genómico 10x;
Los astrocitos desempeñan funciones homeostáticas críticas, como la captación neuronal de transmisores y la circulación de metabolitos para apoyar la actividad activa. neuronas y forman parte de la barrera hematoencefálica, protegiendo al cerebro de los metabolitos tóxicos y del entorno circundante. Los astrocitos sufren una transformación inflamatoria después de una infección, una lesión aguda y enfermedades neurodegenerativas crónicas. Actualmente no está claro cómo esta transformación se ve afectada por el tiempo y el sexo, su heterogeneidad a nivel unicelular y cómo se distribuyen los subestados en las ubicaciones espaciales del cerebro. Este estudio utilizó secuenciación del transcriptoma unicelular del genoma 10x y tecnología de transcriptoma espacial para revelar los subestados y la distribución espacial de los astrocitos altamente reactivos, y encontró que diferentes subpoblaciones de astrocitos son heterogéneas después de una lesión. Esto ayuda a redefinir cómo estudiamos y abordamos el estado de activación de los astrocitos y proporciona una base importante para la investigación cerebral posterior.
1.? Con el tiempo, los astrocitos adquieren diferentes estados inflamatorios.
Para estudiar los cambios en el transcriptoma a lo largo del tiempo bajo inflamación de astrocitos, se informó Aldh1l1eGFP en ratones mediante inyección intraperitoneal de lipopolisacárido (LPS) o solución salina (control). Los astrocitos corticales se purificaron mediante clasificación de células activadas por fluorescencia (FACS) y mediante secuenciación masiva de ARN a las 3, 24 y 72 horas después de la inyección de LPS (Fig. 1a).
Los resultados mostraron que una gran cantidad de genes de astrocitos mostraron cambios de expresión a las 3 h, 24 h y 72 h (Figura 1 b, c), y los genes marcadores de astrocitos comunes Gfap y Serpina3n cambiaron en cada estuvieron regulados al alza en todos los momentos (Fig. 1e). Los cambios en la expresión genética se concentraron principalmente en un determinado momento individual (Fig. 1d), y solo se indujeron el 4% de los 743 genes modificados en todos los momentos. La expresión de genes estimulados por interferón (ISG) fue máxima a las 3 h (Fig. 1 e, f). A las 24 horas, los genes Fbln y FBLN están implicados en la angiogénesis y la presión arterial
Ag t? ¿Y Timp1, un gen implicado en la remodelación de la matriz extracelular? expresión regulada positivamente (Fig. 1 e, f). Además, este estudio también analizó las diferencias de género en los cambios en la expresión del gen de los astrocitos durante la inflamación.
2.? Subpoblaciones complejas de astrocitos ocupan diferentes regiones del cerebro.
Para comprender mejor la heterogeneidad de los astrocitos, a ratones Aldh1l1eGFP machos y hembras se les inyectó LPS y solución salina, y los astrocitos se purificaron mediante citometría de flujo durante 10 x 24 horas después. Secuenciación del transcriptoma genómico unicelular (Fig. 2a). Después de eliminar los no astrocitos utilizando marcadores de tipo celular, quedaron 79,944 astrocitos que expresaban genes marcadores de astrocitos clásicos, con una mediana de 65,438+0,257 genes por célula (Fig. 65,438+0a),** se identificaron 65,438+00 subgrupos (Fig. 2b). yc). En general, las subpoblaciones celulares se dividieron en materia gris/capa superior enriquecida (subpoblaciones 0, 1, 3, 8) o sustancia blanca/capa profunda/subpoblaciones (subpoblaciones 2, 4, 5, 6, 7, 9).
Para determinar si estas diferentes subpoblaciones de astrocitos ocupan diferentes ubicaciones anatómicas, se analizaron secciones de cerebro de ratones tratados (3LPS + 3 solución salina) utilizando la plataforma 10x Genomics Visium y se observó el estado de expresión espacial de las células gliales. genes específicos como Gfap, S100b o Aldh1l1.
Combinando datos del transcriptoma unicelular, se determinó la ubicación de cada subpoblación en los cortes de cerebro (Figura 2d).
3.? Los astrocitos responden de manera diferente a la inflamación.
Para explorar cómo las subpoblaciones de células individuales responden a la respuesta inflamatoria inducida por LPS, este estudio identificó genes expresados diferencialmente (DEG) específicos de la subpoblación y utilizó el software muscat para realizar pruebas de múltiples muestras, múltiples condiciones y específicas de la subpoblación. Análisis DEG (Fig. 3a-c). Los resultados mostraron que todas las subpoblaciones celulares respondieron bien a la validación inducida por LPS (Figura b-d). El 68% de los astrocitos estimulados por LPS expresaron el gen Serpina3n inducido por LPS, mientras que sólo el 3% de los astrocitos del grupo control expresaron este gen. La mayoría de los genes mostraron una co-regulación compleja en subgrupos, con 45 DEG en 9 subgrupos (Fig. 3c).
Además, para estudiar los cambios de los genes inflamatorios en diferentes subgrupos a lo largo del tiempo, este estudio creó módulos de genes inflamatorios para cada subgrupo y determinó sus trayectorias utilizando datos por lotes (Figura 3e).
4.? Las subpoblaciones activas de astrocitos ocupan ubicaciones anatómicas distintas.
Si bien todos los grupos de astrocitos respondieron al LPS, el subgrupo 4 mostró los DEG más singulares, mientras que el subgrupo 8 tuvo la definición más clara de genes inflamatorios y mostró una fuerte respuesta inflamatoria temprana. Por lo tanto, este estudio investigó más a fondo estos dos subgrupos.
La subpoblación 4 representó el 5,9% de todos los astrocitos secuenciados y se definió principalmente por los marcadores inflamatorios Timp1, Gap43, Hspb1, Lcn2 y Gfap. La subpoblación 4 también expresó genes típicos inducidos por interferón, incluidos Psmb8, Ifitm3 y genes relacionados con la presentación de antígenos: H2-K1, H2-T23 y H2-D1 (Fig. 4a-C). Utilizando la tecnología de transcriptoma espacial Visium 10x, se descubrió que estaba presente en los tractos de materia blanca de Gfap+, incluido el cuerpo calloso, y entre el tercer ventrículo y el ventrículo lateral, tanto en el grupo experimental como en el de control (Figuras 2d y 4d). Se analizaron los módulos genéticos del subgrupo 4 y se encontró una fuerte inducción en todas las secciones tratadas con LPS (Fig. 4e). Además, el subgrupo 4 también expresó altamente los genes Aqp4, Gfap, Vim y de materia blanca/profunda Id1, Id3 e Id4. Los autores también verificaron mediante RNAscope que estas células eran de hecho astrocitos (Figura 4f) y encontraron astrocitos Timp1+ en tractos de materia blanca cerca de los ventrículos (Figura 4g-j), lo que indica un componente inflamatorio de la subpoblación 4. Puede ser inducido por señales periféricas que pasan a través de los ventrículos.
A diferencia del subgrupo 4, el subgrupo 8 respondió con más fuerza y antes al LPS, y el subgrupo 8 apareció casi exclusivamente en el grupo experimental (Fig. 5 a y d). Aun así, la subpoblación 8 comprendía sólo el 2,7% de los astrocitos secuenciados y estaba definida principalmente por genes inflamatorios. Además, otros genes en el subgrupo 8 se enriquecieron principalmente en el procesamiento y presentación de antígenos y en las GTPasas inducidas por IFN (Fig. 5b, c), lo que sugiere que estos astrocitos están expuestos a interferones y su capacidad de presentación de antígenos aumenta. Los datos del transcriptoma espacial revelaron la ubicación espacial del subgrupo 8, es decir, alrededor de los ventrículos lateral y tercero, debajo del hipocampo y en la superficie del cerebro (Fig. 5d). Asimismo, los autores también utilizaron RNAscope para verificar estos resultados (Figura 5f-h).
5.? Astrocitos que responden al interferón en modelos de enfermedades
Dado que la subpoblación 8 tiene un perfil inflamatorio claro, este estudio exploró si los astrocitos de la subpoblación 8 están presentes en otras enfermedades con un componente inflamatorio en modelos de enfermedades. Al integrar y analizar los datos de este estudio, los datos publicados del modelo de ratón 5XFAD de la enfermedad de Alzheimer, los datos del modelo de ratón de esclerosis múltiple (EAE) y el modelo de lesión aguda por cuchillo, encontramos que en ratones con enfermedades crónicas humanas En los modelos (5xFAD y EAE), no se encontraron astrocitos del subgrupo 8 cuando los datos se analizaron por separado, lo que puede deberse a la menor proporción de este subgrupo (~2,7%), sin embargo, cuando estos conjuntos de datos se compararon con los actuales Cuando se integraron los datos estudiados, se pudo identificar una proporción tan pequeña de subpoblaciones de astrocitos. En ratones 5xFAD, los astrocitos expresaron el subconjunto 8 de genes, y su expresión dependía parcialmente de Trem2 (Fig. 6a-c), lo que nuevamente enfatiza la importancia entre este subconjunto y las células inmunes para impulsar esta interacción.
Al mismo tiempo, también se encontró una subpoblación de astrocitos tipo 8 en los cerebros de EAE, que era más baja en ratones jóvenes después del estado de la enfermedad, más alta en la fase aguda y regresaba a los niveles iniciales en la fase de remisión (Fig. 6d). -F). Finalmente, los astrocitos del subgrupo 8 también se pueden encontrar en el modelo de ratón con herida por arma blanca (Fig. 6g-i). ?
En este estudio, los autores utilizaron lipopolisacárido de endotoxina de la pared celular bacteriana para estudiar los cambios en el transcriptoma de los astrocitos corticales de ratón después de una estimulación inflamatoria aguda. Se descubrió que los cambios en el transcriptoma de los astrocitos ocurren en cuestión de horas y cambian dramáticamente con el tiempo. Al secuenciar los transcriptomas unicelulares de aproximadamente 80.000 astrocitos, encontramos que la inflamación provocó un amplio espectro de respuestas y que los subtipos de astrocitos experimentaron diferentes transformaciones inflamatorias y tenían características claras del transcriptoma. Se utilizó la transcriptómica espacial y la hibridación in situ para anclar sustratos clave de astrocitos reactivos inducidos por inflamación a regiones del cerebro. En conjunto, este conjunto de datos proporciona un recurso poderoso para analizar la heterogeneidad de los astrocitos y contribuirá a comprender la importancia biológica de los sustratos de astrocitos reactivos restringidos localmente.
Referencias
Hasselp, Rose IVL, Sadiq JS, Kim RD, Lidlow LI. Subtipos de astrocitos neuroinflamatorios en cerebro de ratón. Nat Neurociencia. 2021;24(10):1475-1487.
¿Li Chao? Redacción publicitaria