Glial transcriptome profiles를 기반으로 한 Alzheimer's disease의 성별 특이성에 대한 바이오마커 식별
Summary
이 연구는 알츠하이머병(AD)을 앓고 있는 33명의 단일 핵 전사체를 분석하여 신경교세포에서 성별 특이적 DEG를 밝혔습니다. 기능적 농축 분석은 시냅스, 신경 및 호르몬 관련 경로를 강조했습니다. 주요 유전자, 즉 NLGN4Y와 그 조절인자를 규명하고, 성별 특이적 알츠하이머병에 대한 잠재적 치료제 후보를 제시했습니다.
Abstract
최근 알츠하이머병(Alzheimer’s disease, AD)에서 많은 성별 특이적 바이오마커가 밝혀졌습니다. 그러나 대뇌신경교세포(cerebral glial cell)는 거의 보고되지 않았다. 이 연구는 GEO 데이터베이스에서 33 명의 AD 개인의 전두엽 피질에서 220,095 개의 단일 핵 전사체를 분석했습니다. 성교세포에서 성별 특이적 차등 발현 유전자(DG)가 확인되었으며, 성상교세포에서 243개, 미세아교세포에서 1,154개, 희소돌기아교세포에서 572개가 확인되었습니다. 유전자 온톨로지(GO) 기능 주석 분석과 KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) 경로 농축 분석은 시냅스, 신경 및 호르몬 관련 경로에서 기능적 농도를 밝혀냈습니다. 단백질-단백질 상호작용 네트워크(PPI)는 성상교세포에서 MT3, CALM2, DLG2, KCND2, PAKACB, CAMK2D 및 NLGN4Y, 미세아교세포에서 TREM2, FOS, APOE, APP 및 NLGN4Y, 희소돌기아교세포에서 GRIN2A, ITPR2, GNAS 및 NLGN4Y를 주요 유전자로 식별했습니다. NLGN4Y는 3개의 신경교세포가 공유하는 유일한 유전자로, 알츠하이머병의 성별 특이성에 대한 바이오마커로 확인되었습니다. 유전자-전사인자(Gene-transcription factor, TF)-miRNA 공동조절 네트워크는 NLGN4Y와 그 표적 TCM에 대한 주요 조절인자를 식별했습니다. Ecklonia kurome Okam(Kunbu)과 Herba Ephedrae(Mahuang)를 확인하고 활성 성분이 AD에 미치는 영향을 표시했습니다. 마지막으로, 쿤부(Kunbu)와 마황(Mahuang)에 대한 농축 분석(enrichment analysis)은 이들이 알츠하이머병의 성별 특이성에 대한 치료 후보로 작용할 수 있음을 시사했다.
Introduction
알츠하이머병(Alzheimer’s disease, AD)은 발병률이 높은 세계적인 질병으로, 치매의 60%-80%를 차지한다1. 높은 발병률에도 불구하고 알츠하이머병의 기계론적 발병기전은 명확하게 규명되지 않았으며, 현재까지 효과적인 치료법이 없다2. 알츠하이머병의 주요 병리학은 신경 세포 위축과 병리학적 파편의 축적, 주로 미세소관 관련 단백질인 Tau와 β-아밀로이드(Aβ)3,4로 확인되었습니다. 알츠하이머병의 발병기전은 비정상적인 자가포식, 산화 스트레스, 미토콘드리아 기능 장애, 염증 및 에너지 대사 장애와 관련이 있다5. 유병률 조사에 따르면 알츠하이머병 환자의 2/3가 여성인 것으로 나타났다6. 알츠하이머병의 성별에 따른 차이는 병인, 임상적 증상, 예방 및 치료에 존재한다. 따라서 알츠하이머병에서 성별에 따른 차이를 유발하는 생물학적 기전을 밝히고 한의학(TCM)을 표적으로 삼는 것은 알츠하이머병의 발병 기전을 이해하고 정확한 치료 전략을 안내하는 데 도움이 되는 보다 포괄적인 이론적 틀을 제공할 수 있습니다.
신경아교세포(neuroglial cell), 특히 미세아교세포(microglia), 성상교세포(astrocyte), 희소돌기아교세포(oligodendrocyte)는 알츠하이머병의 발병에 기여할 수 있습니다. 알츠하이머병에서는 미세아교세포가 활성화되고 유전적으로 변형되어 염증 반응, 식세포작용 및 Aβ 청소에 기여합니다 7,8; 성상세포(astrocyte)는 유전적으로 변형되어 시냅스 활동, 이온 항상성, 에너지 및 지질 대사에 영향을 미친다9; 희소돌기아교세포는 성 특이성에 따라 유전적으로 변형되어 신경 세포 손실, 신경 섬유 엉킴 및 백질 병변에 기여합니다10,11.
이 연구에서는 단핵 RNA 염기서열분석(snRNA-seq)을 우수한 기법으로 사용했습니다. 단일 세포 RNA 염기서열분석(scRNA-seq)과 비교하여 snRNA-염기서열분석은 시료 풍부성, 세포 유형 무결성 및 데이터 신뢰성 측면에서 이점을 제공합니다12,13. SnRNA-seq는 알츠하이머병에 초점을 맞추고 신경교세포의 역할을 탐구하는 연구에서 광범위하게 활용되어 왔습니다 14,15,16. 이러한 연구 분야에서 널리 채택된 것은 알츠하이머병에서 신경교세포의 전사 특성에 대한 귀중한 통찰력을 제공하는 데 있어 그 효과를 강조합니다. snRNA-seq의 장점을 활용하여 연구자들은 알츠하이머병 병리학에서 신경교세포의 관여에 관한 중요한 정보를 발견하고 잠재적인 치료 표적을 식별할 수 있었습니다. 알츠하이머병의 성별 특이적 신경아교세포 전사 특성과 알츠하이머병의 성 특이성에 대한 잠재적 TCM을 탐색하기 위해 이 연구는 NCBI GEO 공개 데이터베이스에서 알츠하이머병 환자의 전두엽 피질에서 얻은 snRNA-seq 데이터를 분석했습니다. 성별 특이적 차등 발현 유전자(DEG), 유전자 온톨로지(GO), 교토 유전자 및 게놈 백과사전(KEGG), 단백질-단백질 상호작용(PPI) 네트워크 및 유전자-TF-miRNA 네트워크를 추가로 분석하여 주요 바이오마커와 잠재적 발병 기전을 밝힙니다. 마지막으로, 잠재적인 TCM을 제안하고, Coremine Medical, TCMIP, TCMSP 데이터베이스를 검색하여 유효성분을 표와 함께 표시했습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
성별 특이성은 AD19의 역학, 병리학 및 임상 증상에서 확인되었습니다. 여기에서는 알츠하이머병 환자의 성별 특이적 신경교세포(glial gene) 및 관련 경로로부터 “호르몬-시냅스-뉴런 축(hormone-synapse-neuron axis)”의 잠재적인 병리학적 기전을 확인했다. NLGN4Y는 3개의 신경교세포에서 유일하게 공유되는 유전자였으며 알츠하이머병의 성별 특이성에 대한 바이오마커로 선택되었습니다. N…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 GSE167490 데이터 세트를 제공한 Jessica S Sadick, Michael R O’Dea, Philip Hasel 등에게 감사를 표합니다. 저자는 Faten A Sayed, Lay Kodama, Li Fan 등이 GSE183068 데이터 세트를 제공한다는 점을 높이 평가합니다. 저자는 데이터 분석에 도움을 준 Shuqing Liu와 데이터 분석 플랫폼을 제공한 Wen Yang에게 감사를 표합니다. 이 연구는 중국국립자연과학재단(National Natural Science Foundation of China, 82174511), 청두(Chengdu) 중의과대학 살구숲 장학생(Apricot Grove Scholars), 수련 인재 연구 향상 프로그램(Discipline Talent Research Enhancement Program, QJJJ2022001), 랴오닝 활성화 인재 프로그램(LiaoNing Revitalization Talents Program, XLYC 1807083), 쓰촨 중앙약초 관리국 기금(2023MS578), 국가 학부 혁신 및 기업가 정신 교육 프로젝트(202310633003X), 과학 연구 실습 혁신 주제의 지원을 받았습니다. Chengdu University of Traditional Chinese Medicine (ky-2023100) 대학생용. Hanjie Liu와 Hui Yang은 연구의 설계, 수집, 데이터 해석, 초안 작성 및 원고 수정에 기여했습니다. Shuqing Liu와 Siyu Li는 연구 설계, 데이터 수집 및 원고 초안 작성에 참여했습니다. 웬 양(Wen Yang)과 안와르 아이샤(Anwar Ayesha)는 데이터 수집 및 해석을 담당했습니다. Xin Tan은 그림 및/또는 테이블을 준비했습니다. 첸 장(Cen Jiang), 이 리우(Yi Liu), 루솽 시에(Lushuang Xie)가 연구를 구상하고 원고를 검토/편집했다. 모든 저자가 논문에 기여하고 제출된 버전을 승인했습니다.
Materials
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| Coremine Medical database | Jointly developed by Norway, the Chinese Academy of Sciences, the Chinese Academy of Medical Sciences, the National Medical Library of the United States and other institutions | When you explore concepts in CoreMine Medical you access a database that is structured to relate important concepts, ranked by statistical relevance, to your topic. For example, if you type in "Alzheimer disease," in addition to retrieving documents and resources that discuss the disease, you will be able to view networks and lists that show how your query concept is related to other bio-medical concepts. This provides an overview of concepts that relate to your search as well as being an interface for navigating information on these concepts. Weblink: https://coremine.com/medical/ |
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| Gene Expression Omnibus (GEO) | National Center for Biotechnology Information in the United States (NCBI) | GEO is a public functional genomics data repository supporting MIAME-compliant data submissions. Array- and sequence-based data are accepted. Tools are provided to help users query and download experiments and curated gene expression profiles. Weblink: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/ |
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| Integrative Pharmacology-based Research Platform of Traditional Chinese Medicine (TCMIP, version: 2.0) | None | Introduction to the Integrated Pharmacology Based Network Computational Research Platform for Traditional Chinese Medicine [TCMIP v2.0], http://www.tcmip.cn/ ) It is an intelligent data mining platform based on the online database of the Encyclopedia of Traditional Chinese Medicine (ETCM), which integrates medical big data management and pharmacological computing services. It aims to reveal the scientific connotation of traditional Chinese medicine theory and the scientific value of original thinking in traditional Chinese medicine, summarize and pass on the experience of famous doctors, control the quality of traditional Chinese medicine, explain the principles of traditional Chinese medicine action, research and development of new Chinese medicine, especially the discovery and optimization of modern drug combinations, Provide a strong data foundation and analytical tools. Based on TCMIP v1.0, a comprehensive upgrade is implemented, including five major databases and seven functional modules. Through system integration and module integration, a comprehensive analysis of the multi-level correlation of the "disease syndrome prescription" interaction network can be quickly achieved. As an intelligent data mining platform, TCMIP v2.0 will provide a strong data foundation and analysis platform for revealing the scientific connotation of traditional Chinese medicine theory and the scientific value of original thinking in traditional Chinese medicine, summarizing and inheriting the experience of famous doctors, quality control of traditional Chinese medicine, elucidating the principles of traditional Chinese medicine action, research and development of new traditional Chinese medicine drugs, especially modern drug combination discovery and optimization. Weblink: http://www.tcmip.cn/TCMIP |
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| NetworkAnalyst | None | Networkanalyze is an online visualization analysis platform for gene expression analysis and meta-analysis. It can perform comparative, quantitative, differential and enrichment analysis of gene expression, protein-protein interaction analysis, integration analysis of multiple datasets, and can also draw high-value images such as PCA, protein-protein interaction network diagram, heatmap, volcano diagram, Wayne diagram, etc. Weblink: https://www.networkanalyst.ca/NetworkAnalyst/ |
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| PubMed database | National Center for Biotechnology Information in the United States (NCBI) | The Pubmed database is a biomedical literature database maintained by the National Library of Medicine (NLM) in the United States, aimed at providing the latest medical research results to scientists, doctors, researchers, and students worldwide. This database collects biomedical literature from around the world, including journal articles, papers, books, etc. As of now, the Pubmed database has collected over 30 million articles and is continuously updated every week. Weblink: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/ |
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| R software | Ross Ihaka and Robert Gentleman | R is a language and environment for statistical computing and graphics. It is a GNU project which is similar to the S language and environment which was developed at Bell Laboratories (formerly AT&T, now Lucent Technologies) by John Chambers and colleagues. R can be considered as a different implementation of S. There are some important differences, but much code written for S runs unaltered under R. Weblink: https://www.r-project.org/ |
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| STRING database (STRING, version 11.0) | Swiss Institute of Bioinformatics | STRING is a database of known and predicted protein interactions. The interactions include direct (physical) and indirect (functional) associations Weblink: https://string-db.org/ |
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| Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform (TCMSP) | Zhejiang Jiuwei Health Co., Ltd | TCMSP is not only a data repository, but also an analysis platform for users to comprehensively study Traditional Chinese Medicines (TCM): including identification of active components, screening of drug targets and generation of compounds-targets-diseases networks, as well as the detailed drug pharmacokinetic information involving drug-likeness (DL), oral bioavailability (OB), blood-brain barrier (BBB),intestinal epithelial permeability (Caco-2), ALogP,fractional negative surface area (FASA-) and number of H-bond donor/acceptor (Hdon/Hacc). So far, TCMSP has attracted broad attentions and several groups have published more than 10 papers by using our TCMSP database within about one year. Weblink: https://tcmsp-e.com |
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