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上次总结了AD的生信研究思路，十种方式不要太多，今天来详细了解一下如何从单细胞的角度深入了解阿尔茨海默病。“啃下这块大骨头”将会有助于我们去认识AD的分析结果到底为什么是这样的。
前言
首先，阿尔茨海默病是一种与年龄相关的，被定义为脑实质中淀粉样斑块沉积和神经纤维缠结的疾病。已有的单细胞分析表明，阿尔茨海默病涉及几乎所有主要细胞类型的复杂相互作用。下面将要介绍AD中细胞类型特异性的分子扰动，讨论来自单细胞的基因组信息如何扩展现有的AD发病机制范式，并指出治疗干预的新机会。
单细胞基因组学已经定义了小鼠和人类大脑中主要细胞类型的分析调控。分析来自不同AD病理阶段个体的单个细胞的遗传信息，揭示了AD中详细的细胞类型特异性分子程序（图1）。基因表达的bulk量化报告了群体水平，这掩盖了可能驱动不同病理反应的特定细胞群的变化。
基于细胞类型标记的整体分析可能掩盖了细胞内类型的异质性，如layer特异性神经元和非髓鞘化的少突胶质细胞。相比之下，单细胞分析揭示了主要细胞类型的不同子群中AD的不同弱点。
在不同细胞类型中差异表的基因与共享的信号基序有关。主要细胞类型的分子干扰集中在常见的信号通路上，识别通常被破坏的通路可能会揭示扰动的核心节点，对核心节点的进一步定义和操作可能为治疗干预提供新的机会。这些常见的信号通路包括如脂质处理、免疫应答和代谢重编程等（图2）。
①免疫信号。几乎每种细胞类型在AD中都产生免疫反应，包括与细胞因子、趋化因子和MHC信号通路相关的转录反应。MHC信号通路可能与突触可塑性和未折叠蛋白反应有关。在与AD相关的细胞类型中，低级别AD相关炎症可能与代谢重编程有关。
②脂质处理。脂质信号对许多细胞功能至关重要，如感知和穿梭脂质物种，并适应质膜的动态重构，这是树突棘、小胶质细胞突、星形细胞端足和节点结构可塑性所需的质膜。AD中许多脑细胞中脂质信号紊乱，强调了脂质信号和代谢的重要性。
③未折叠蛋白质反应。几乎每一种主要的细胞类型都调节蛋白质的错误折叠途径和整合的应激反应，并与此相关的线粒体功能，突出了AD细胞的能量中断。这些发现表明，AD大脑的环境影响了未折叠的蛋白质反应和细胞应激，即使在没有直接受到病理负担的细胞中也是如此。
④DNA损伤和细胞衰老。神经元中的DNA损伤与衰老有关，并在神经退行性变中升高。DNA损伤对于即时早期基因表达相关的学习表达至关重要。AD中的许多细胞的DNA修复酶通路受损，这可能表明存在衰老状态和核心细胞功能的丧失。
⑤血管相互作用。目前的研究开始描绘AD中复杂的血管细胞网络。现有的数据集强调了与AD中神经血管耦合和血脑屏障功能障碍相关的多种脑组织类型的信号通路，包括已知调节血管细胞的炎症分子的细胞类型特异性分泌。
一、兴奋性神经元
突触改变和神经元丢失在AD中已经得到了很好的证实，单细胞分析揭示了调节神经元功能障碍的分子程序（图3）。一些snRNA-seq研究表明，来自AD患者的兴奋性神经元改变了调节神经递质释放、突触囊泡循环和谷氨酸代谢的基因。
组织学研究结果表明，AD中突触后末梢缺失，一些差异表达的基因与突触后支架分子、谷氨酸受体转运和钙调素信号传导有关。原位杂交证实了其中一些发现。
抑制性突触在成人大脑中具有高度的可塑性，并被认为能够灵活地调节稳定的兴奋性连接，在AD中其数量减少。这些发现反映在对抑制性突触至关重要的基因表达的改变上，如对一些整合素基因的调节。
有髓鞘轴突的完整性对于长程投射至关重要，AD神经元中与神经元-少突胶质细胞相关作用相关的基因在AD神经元中被调节，如INGO1上调（髓鞘形成的负调节因子），这一发现在几个转录组学和原位杂交研究中重复出现。以上这些转录变化表明，突触元件不仅仅是在结构上丢失，而且控制其完整性的分子机制是失调的。
一些研究强调了AD神经元如何调节应激相关基因，特别是与伴侣介导的蛋白质折叠相关的基因（例如DNAJA1）。AD神经元中改变的基因也与线粒体易位酶、葡萄糖感应和糖酵解有关（例如，SLC2A3，编码一种在富集于突触末端的葡萄糖转运体）。突触线粒体对于持续的突触疗效至关重要，而转录谱为了解AD神经元中代谢程序被破坏提供了见解。
此外，非神经元细胞中的一些差异表达的基因聚集在最终影响神经元功能的通路上，如与突触修剪和活性依赖的离子通道相关的基因。
这些结果突出了多种脑细胞类型参与感知和调节神经活动，并表明AD患者的神经回路功能障碍可能是多细胞信号级联的结果。
定义那些选择性易受功能障碍影响的神经元的遗传特征也许可以揭示AD退化的分子逻辑。Tau蛋白聚集物在一些神经元内形成神经原纤维缠结，这是AD与神经元丢失密切相关的典型病理特征，携带缠结神经元的突触基因发生了失调。
一项snRNA-seq研究显示，BAG3（一种蛋白质毒性诱导的信号转导的主要调节因子）调节tau蛋白稳态。在初级皮层神经元中的BAG3的减少导致tau蛋白积累，BAG3过表达减弱tau蛋白病理，表明与tau蛋白代谢相关的选择性脆弱性可能部分受BAG3的控制。
同样，转录因子RORB被认为可以标记调节与突触蛋白和神经递质受体相关的基因的缠结负担神经元群。因此，RORB可能是选择性脆弱神经元的标记物。相反，一些神经元可能优先对AD具有适应能力：一部分个体具有广泛的淀粉样蛋白和tau蛋白病理，但不表现出痴呆，因此仍需探究认知衰退恢复能力的分子基础。
与年龄匹配的高病理和低认知的个体相比，MEF2C在高AD病理和认知正常个体的兴奋性神经元中表达上调。
载脂蛋白E基因（APOE）的ɛ4等位基因被认为是散发性晚发性AD最有效的遗传危险因素。虽然APOE主要由星形胶质细胞和小胶质细胞表达，但其在单个神经元中的可变表达表明，一些神经元表达的APOE水平相对较高，这与细胞应激和死亡相关，表明神经元的APOE和MHC-I信号通路可能是驱动AD神经退行性变差异易感性的一个重要因素。另外，载脂蛋白对脂质转运至关重要，而在AD神经元中被调节的其他脂质相关基因包括那些与胆固醇转运相关的基因（例如NPC1，编码一种溶酶体胆固醇转运体，其功能的丧失与神经元死亡有关）和脂质信号传导（例如，LAMTOR5，与内吞体/溶酶体转运相关）。这些发现突出了在AD神经元中被破坏的复杂的脂质相关信号网络。
神经元DNA损伤
神经退行性变中神经元的DNA损伤升高，人类神经元中的高DNA损伤在AD个体的差异表达基因中富集，表明AD神经元中的基因表达失调可能与DNA修复受损有关。DNA损伤可能是与代谢应激相关的细胞状态开关的一部分。
例如，DNA损伤诱导转录本DDIT3的上调，可能与更广泛的细胞应激程序有关。
二、中间神经元
中间神经元关键地塑造了同步的神经活动模式。在AD中，中间神经元与兴奋性神经元有共同的转录变化，包括与代谢应激、离子转运、DNA损伤和ErbB信号通路相关的基因。AD中间神经元中下调的基因包括典型的神经元间亚型的标记基因，包括SST、PVALB和VIP。神经元间神经肽被认为可以调节抑制回路、神经血管耦合，因此AD中受损的神经元间肽信号通路可能广泛损害痴呆中的神经元信号通路。
三、小胶质细胞
小胶质细胞作为大脑的先天免疫细胞，密切参与免疫反应，如参与免疫球蛋白反应的基因VSIG4和FCGBP。AD中的小胶质细胞功能障碍可调节与突触功能、吞噬作用和免疫反应相关的基因。小胶质细胞调节参与髓鞘形成的基因，以及参与轴突发生的基因（如UNC5C和SLIT2）。AD小胶质细胞也调节补体相关基因，如C1QC，它调节额突触修剪。AD小胶质细胞中可能与淀粉样蛋白反应相关的基因包括那些与小胶质细胞斑块聚集表型相关的基因，比如细胞迁移（例如MYO1E）以及参与代谢重编程和细胞生长的基因（例如，编码乙酰转移酶的SAT1和核糖体亚基RPS19）（图4）。
1.阿尔茨海默病小胶质细胞中的脂质代谢
TREM2在小胶质细胞中作为多种脂质的传感器，而其p.Arg47His变异与AD风险增加和Akt信号通路增强相关。
在非AD个体的脂肪组织中，TREM2驱动一个参与吞噬作用、脂质分解代谢和能量代谢的基因表达程序，这表明TREM2可能广泛调节巨噬细胞中的脂质相关代谢程序。
依据实验研究强调的小胶质细胞中脂质感知和代谢的重要性，小胶质细胞的脂质代谢途径在AD中被广泛破坏。脂质代谢对于小胶质细胞快速重塑质膜以进行局部脑检测和调节神经活动至关重要，这些发现表明靶向小胶质细胞脂质相关通路可能缓解AD病理。
2.神经元支持中的小胶质细胞扰动
小胶质细胞如何调节神经元回路越来越重要。小胶质细胞部分通过补体介导的突触消除、fractalkine信号和嘌呤感应来调节神经计算，因此，一些研究表明AD小胶质细胞调节与补体、fractalkine受体和嘌呤受体。因此，AD患者的神经元功能障碍可能部分是由于小胶质细胞感知和控制神经元活动的能力的改变。
小胶质细胞代谢状态的扰动，部分与细胞应激和糖酵解转移相关，可能汇聚在，损害小胶质细胞调节神经元活动能力的信号通路上。
小胶质细胞状态也可能与不同的GABAergic回路和锥体神经元亚型有关；因此，未来定义小胶质细胞-神经元串扰的工作可能揭示小胶质细胞控制AD神经元功能障碍的分子逻辑。
3.小胶质细胞炎症的状态转变
Morabito等人进行了snATAC-seq和snRNA-seq，在表观基因组和转录组水平上定义了AD相关的基因调控程序。AD中一些小胶质细胞有更多的SPI1开放结合位点（SPI1编码髓系细胞分化的主调节因子PU.1）。PU.1可能在AD晚期小胶质细胞中作为转录抑制因子，而AD小胶质细胞中的一个复杂转录因子网络（例如由ELF5、ETS1、ETV5和SPIC编码）可能参与了AD中小胶质细胞状态的转变。的确，PU.1表达水平和PU.1依赖的转录控制被认为是调节小胶质细胞功能的关键所在，如小胶质细胞清除淀粉样蛋白。单细胞转录组学和CRISPR推断和激活筛选可能进一步揭示调节小胶质细胞状态的基因程序。
四、星形胶质细胞
星形胶质细胞参与神经元营养支持、细胞外离子稳态和脑液平衡（图5）。一些证据表明，AD中的星形胶质细胞会发生炎症，损害神经回路功能，包括斑块相关屏障和调节与脂质相关的信号网络。单细胞基因组学揭示了AD中的星形胶质细胞调节与神经递质循环、炎症反应和脂质代谢相关的基因。AD中失调星形胶质细胞基因参与神经递质受体、离子通道、甚至突触相关的基因。AD星形胶质细胞还可以调节参与脂质代谢的基因，包括编码磷脂酶的APOE和PLCE1。
1.星形胶质细胞代谢
星形胶质细胞是大脑中能量稳态的中心驱动因素。一些来自人类AD皮层的snRNA-seq研究表明，AD星形胶质细胞改变了与细胞应激相关的基因和与细胞应激相关的代谢重编程基因（例如CIRBP，CABLES和CSRP1），以及许多与星形细胞骨架结构重塑相关的基因（例如GFAP）和细胞外基质（例如变异基因VCAN和整合素基因ITGB8和ITGB4）。鉴于星形胶质细胞可能以一种区域特定的方式对损伤和神经退行性变后的大脑炎症状态做出关键反应和调节，这些发现强调了AD中星形胶质细胞代谢重编程的转录基础。同时，AD星形胶质细胞中许多失调的通路聚集在脂质信号通路上。在AD星形胶质细胞中，与脂质合成和运输相关的基因（例如LDLR）被干扰。AD星形胶质细胞的代谢重编程可能导致调节神经元回路的能力受损。
2.AD星形胶质细胞中的突触通讯功能障碍
星形胶质细胞促进神经递质穿梭和突触营养支持，一些数据显示，AD星形胶质细胞改变了与谷氨酸受体亚基相关的基因（例如GRIA2，GRM3和GRID2），与缝隙连接和离子转运相关的基因在AD中失调。
转录因子AEBP1是主免疫信号调节因子NFκB的共激活因子，可能调节星形胶质细胞中AD相关的状态转变。TFEB编码的主溶酶体调节因子在AD患者的星形胶质细胞中表达上调，鉴于TFEB对溶酶体通路的重要性，细胞内脂质相关过程的功能障碍可能是AD相关功能障碍的关键驱动因素。分泌细胞因子和脂质相关运输的功能障碍可能代表了对AD病理的功能冗余的胶质反应。例如，小胶质细胞的代谢转移可能部分与AD星形胶质细胞共享，它调节参与细胞生长和信号转导的基因。这些变化共同突出了AD中主要细胞类型中常见的脂质相关和免疫相关信号通路。
五、少突胶质细胞
来自小鼠和人类大脑的单细胞转录组学数据反映了少突胶质细胞的高度异质性。在AD少突胶质细胞中受到干扰的分子程序反映了这些细胞的不同功能库的改变，包括髓鞘形成、感知神经活动和免疫功能（图6）。AD中的少突胶质细胞改变了与髓磷脂合成、脂质运输、脂质代谢和免疫相关变化的途径。少突胶质细胞前体细胞（OPCs，后文详述）还改变了与神经递质感知和免疫反应相关的基因的表达。
在AD少突胶质细胞中，许多髓鞘相关基因被干扰，如LINGO1的上调，CNTN2和OPALIN的下调。
LINGO1是髓鞘形成的负调控因子（在AD兴奋性神经元中也会上调）；CNTN2和OPALIN被认为是调节轴突稳态的基因。
在AD早期的少突胶质细胞中参与髓磷脂产生的基因发生了改变，包括与基本细胞构建块相关的酶的基因和髓鞘形成本身。来自人类大脑的几项研究也强调了脂质运输基因的改变，包括与载脂蛋白和脂质受体、溶酶体功能和溶质载体相关的基因。这些发现突出了与生物合成过程和脂质处理相关的细胞通路汇聚于髓磷脂合成，并可能部分揭示了少突胶质细胞功能障碍如何导致AD患者髓鞘形成的结构和可塑性的缺陷。
另外，髓磷脂的可塑性可能与少突胶质细胞感知神经活动的能力有关，如小白蛋白抑制性中间神经元上的感觉经验依赖性髓鞘化重构，而与兴奋性胼胝体投射神经元无关。记忆保存被认为需要新的髓磷脂形成，因此少突胶质细胞适应性监测神经活动和促进髓磷脂重塑的能力受损可能导致AD的认知能力下降。
1.少突胶质细胞的免疫和血管功能
在小鼠中进行的研究表明，AD少突胶质细胞可以调节与主要组织相容性类（MHC）-I和MHC-II相关的基因。AD中许多其他免疫途径受到干扰，包括干扰素反应和炎症。
少突胶质细胞也可能通过分泌调节血管细胞功能的生长因子来响应并参与血脑屏障的完整性。
少突胶质细胞也支持细胞外基质重塑，这是髓鞘再生的关键因素，而AD少突胶质细胞调节与胶原、层粘连蛋白和软骨素相关的基因。其中一些变化可能反映了与白质损伤相关，这是AD中常见的临床发现。
2.少突胶质细胞前体细胞（OPCs）
OPCs分布于灰质和白质中，调节神经活动，并具有免疫相关和血管相关的功能，而snRNA-seq反映了这些过程中OPC状态扰动的改变。
与少突胶质细胞一样，OPCs被认为可以动态地感知和调节神经活动。转录结果强调了OPC对电压门控离子通道相关基因的调节，表明OPCs可能存在感知神经网络能力的改变，这可能部分解释了AD中适应性髓鞘形成和神经元完整性的功能障碍。OPCs调节免疫相关基因（例如，IFIT1），突出了炎症和免疫机制在OPC介导的AD功能障碍中的潜在作用。
六、血管细胞的改变
血管功能的改变是大脑稳态的重要因素，血流减少可能出现在AD的早期。研究表明，AD中血管细胞改变了免疫信号、神经血管耦合和通透性。脑内皮细胞控制着离子、分子和细胞在血液和实质之间的运动，这是一系列统称为血脑屏障的特性。来自AD患者的snRNA-seq数据揭示了许多血脑屏障过程中的转录扰动，包括紧密连接、溶质转运体和粘附分子的改变。
周细胞位于基底膜中，并包裹着毛细血管。周细胞表达参与肌动球蛋白收缩的基因，这与功能证据表明周细胞收缩性控制着血管动力学（例如，通过控制毛细血管连接处的血流和调节基地毛细血管直径）相一致，这可能有助于AD相关的低灌注。综上所述，这些研究为AD患者与神经血管耦合和血脑屏障完整性的血管功能障碍中的周细胞功能障碍的观察提供了转录组学证据。
未来方向
单细胞图谱揭示了AD中细胞类型特异性的改变，并突出了跨细胞类型的功能失调的核心信号通路。将遗传信息与其他细胞功能的指标相结合，将增强我们对不同细胞类型中AD改变的理解。进一步描述AD中功能失调的不同神经元微电路和细胞类型，以及定义哪些细胞状态有助于脑脊液和血浆生物标志物，可能导致定义AD进展的细胞底物的新框架。通过识别脆弱的细胞类型和产生它们的分子程序，治疗干预可能会逆转异常的细胞轨迹。虽然许多转录改变是细胞类型特异性的，但这些变化最终可能汇聚在跨细胞类型的共享信号通路上，这些信号通路可能代表了新的治疗策略的靶点。
