时间地图：追踪亨廷顿病在大脑中从出生开始的演变

一项针对小鼠模型的新研究揭示了亨廷顿病 (HD) 如何随着时间推移扰乱大脑发育，甚至远在症状出现之前。研究人员利用先进的测序工具和空间转录组学（一种绘制大脑中基因激活位置的技术），发现了早期预警信号，这有助于解释为何亨廷顿病中某些脑细胞比其他细胞更脆弱。

为何如此重要

我们知道，亨廷顿病是由亨廷顿基因中 CAG 遗传密码的重复引起的。不会患亨廷顿病的人拥有 35 个或更少的 CAG 重复，而最终会患亨廷顿病的人则拥有 36 个或更多。

尽管每个细胞都带有这种基因拼写错误，但某些脑细胞受到的影响更严重，导致它们过早死亡。我们仍然不完全理解的是，为何这些细胞更脆弱，或者在症状出现之前，大脑中可能发生了什么无声的变化，使它们变得更脆弱。

在加州大学欧文分校莱斯利·汤普森博士和玛拉·伯恩斯博士领导的一项新研究中，研究团队深入探究了这一谜团。他们采用了一种强大的技术组合，称为“空间转录组学”和“单细胞测序”。

空间转录组学听起来很花哨（也确实如此！），但它的名字就揭示了它的作用。它能在脑样本上空间定位转录本，即 DNA 在转化为蛋白质之前产生的短遗传信息。因此，它可用于显示大脑图像上遗传信息的位置。研究人员利用这项技术绘制了亨廷顿病模型小鼠一生中的变化。

单细胞测序则着眼于样本中每个独立细胞内的遗传信息。这两种技术都提供了大量数据，有助于绘制出亨廷顿病导致的大脑内部变化的详细图谱。

有趣的是，他们发现了一些惊喜！他们的研究表明，基因活动的变化从出生时就开始，并以细胞类型和区域特异性的方式演变，尤其影响纹状体（控制运动、动机和情绪的中央脑区）和皮层（控制感知、运动和规划等的外层褶皱部分）。这两个脑区受到亨廷顿病的严重影响。更多地了解这些脑区何时以及如何发生变化，有助于我们理解亨廷顿病中选择性脆弱性的奥秘。

亨廷顿病大脑的脆弱区域：纹状体和皮层

我们知道，亨廷顿病并非平等地影响所有脑细胞。某些类型的细胞，例如支持神经元的胶质细胞，其死亡脆弱性与神经元不同。

但即使是神经元本身也具有选择性脆弱性。有些类型特别容易死亡，而另一些则即使在晚期也出人意料地具有韧性。受影响最严重的是 中型多棘神经元 (MSNs)，它们构成了 纹状体 的主体——纹状体是一个对协调运动、动机和学习至关重要的大脑区域。

MSNs 是大脑回路中关键的“中继站”，负责传递多巴胺信号并微调运动控制。在亨廷顿病中，这些神经元是最早表现出功能改变并最终死亡的细胞之一。这项新研究表明，即使在新生亨廷顿病小鼠中，MSNs 也开始表现出异常的基因激活，包括 Drd1 和 Tac1 等身份基因水平的升高，这些基因水平随后会下降。这表明这些细胞可能在崩溃之前早期“过度补偿”。

与此同时，在 皮层（另一个控制高级思维和决策的脑区）中，研究人员发现以下基因的表达减少： Tcf4，一个对神经元发育至关重要的关键基因枢纽。这些皮层变化早期开始并贯穿疾病进展，暗示亨廷顿病也可能微妙地扰乱皮层的成熟过程。

脑图谱绘制的新时代

直到最近，如果我们想了解哪些基因被亨廷顿病以不同方式激活，大多数研究都依赖于一种名为“批量 RNA 测序”的方法。这项技术功能强大，但有一个很大的缺点：为了测量哪些基因被激活，科学家们首先必须研磨脑组织。这意味着样本中所有细胞类型（脆弱和有韧性的神经元、胶质细胞，甚至血管细胞）的遗传信息都会混杂在一起。

批量 RNA 测序有点像将城市中所有的对话一次性录制下来，然后混合成一个单一的音轨。你会听到整体的噪音，但无法分辨它来自教室里的老师、街头的艺人，还是游乐场里的孩子。为了解决这个问题，本研究中的研究人员采用了两种新颖的方法：

• 空间转录组学：这种方法是一个巨大的进步，因为它在保持组织切片完整的同时测量基因活动。它就像拍摄一张大脑的鸟瞰图，用彩色斑点显示哪些区域的基因活动是“活跃”或“不活跃”的。其分辨率无法捕捉到每个独立细胞的信号，但可以捕捉到数十个细胞群的信号。关键在于，它保留了批量方法所抹去的“位置”信息。
• 单核 RNA 测序（即 snRNA-seq）：在这里，科学家们将视野拉得更近。他们不再处理整个脑切片，而是分离出单个细胞，逐一读取其基因活动。这揭示了大脑这座城市中 谁 在“说话”——是神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞还是少突胶质细胞——以及每种细胞类型在说什么。但缺点是这种方法失去了空间背景：你知道谁在说话，但不知道他们在城市中的具体位置。

通过将这两种方法应用于亨廷顿病小鼠的生命周期时间轴，研究团队实现了两全其美：从空间转录组学获得“位置”信息，从单细胞测序获得“身份”信息。这使他们能够构建一个跨越时间的亨廷顿病发展空间图谱。借此，他们将基因变化与三个阶段（出生、早期症状和晚期疾病）中特定的细胞类型和脑区联系起来。这种方法比以往的技术提供了更多的细微差别，并为理解亨廷顿病等复杂疾病开辟了新的可能性。

主要发现

• 从一开始就重组：即使在出生时，亨廷顿病小鼠也已显示出基因活动改变。在 纹状体 中，线粒体基因（控制能量生产的基因）受到干扰。在皮层中，一个对大脑发育至关重要的基因 Tcf4 表达减少。这可能会影响皮层神经元的组织和连接方式。
• 随时间推移的变化：MSNs 早期显示出有助于定义这种特定类型神经元的身份基因水平升高。随着时间的推移，这种趋势似乎发生变化，身份基因水平下降。研究人员还发现了其他可能导致 MSN 损伤的变化，例如线粒体缺陷，这些缺陷似乎在明显症状出现之前起源于纹状体，并扩散到其他脑区。
• 通信中断：通过检查细胞间信号通路，研究团队发现了 神经肽 Y (NPY) 信号传导中与时间相关的变化，这可能与平衡能量使用和神经元健康有关。

展望未来：理解与干预的新途径

这项研究不仅提供了亨廷顿病大脑的快照，更提供了一张随着亨廷顿病进展而变化的 延时地图。通过结合空间和单细胞数据，它揭示了亨廷顿病的早期影响，可能早在出生时就开始，并随着时间缓慢积累。

然而，值得注意的是，即使是出生时发现的变化，也并不意味着大脑无法补偿。显然，它能够补偿！携带亨廷顿病基因的人通常可以健康生活数十年。这可能意味着这些早期、微妙的变化可能使这些细胞在后期变得敏感，从而更容易死亡。因此，尽管它们可以在数十年间抵御分子损伤，但随着时间的推移，这种负担会变得过重。

这些见解为亨廷顿病社区提供了几点启示：

• 治疗时机：如果早期基因变化导致脆弱性，那么旨在稳定大脑发育的治疗方法可能具有重要价值，即使在症状出现之前也是如此。
• 靶向策略：了解哪些细胞首先发生变化以及如何变化，有助于开发更精确的疗法。有些变化可能早期开始，但被大脑自身的补偿机制所平衡。研究这些自然防御机制可能会揭示从一开始就进行反击的新方法。
• 生物标志物开发：线粒体应激或 Tcf4 下调等模式有朝一日可能有助于更准确地识别疾病发作。

最重要的是，这项工作凸显了 大数据脑图谱绘制工具 日益增长的重要性，它帮助研究人员超越批量平均值，真正理解单个细胞、真实组织中随时间推移发生的变化。尽管这项研究是在小鼠模型中进行的，但它为理解亨廷顿病在人脑中最早的分子波动，以及我们有朝一日如何在图谱变化之前进行干预，奠定了关键基础。

摘要

• 先进的绘图工具：结合空间转录组学和单细胞测序，揭示了亨廷顿病中 哪些 细胞在 何处 发生改变。
• 早期起源：亨廷顿病小鼠的基因活动变化从出生时就开始，尤其是在纹状体和皮层，这两个大脑受影响最严重的区域。
• 随时间推移的动态变化：脆弱区域的神经元早期表现出身份基因的过度激活，随着疾病进展，这些基因随后会下降。
• 能量与通信故障：线粒体和神经肽信号通路受到干扰，影响神经元健康。
• 早期干预的蓝图：这些发现强调，微妙的早期生命变化可能影响后期的脆弱性，从而指导未来的预防和治疗策略。

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原始研究文章，“R6/2 亨廷顿病小鼠大脑中独特的分子模式：来自时空转录组学的见解”（开放获取）。