帕金森病（Parkinson’s disease）是一种常见的神经退行性疾病，主要表现为运动障碍、自主神经功能障碍和睡眠认知问题，影响全球近600万人。其神经病理特征包括多巴胺能神经元的丧失以及细胞内的α-突触核蛋白的聚集。虽然涉及胶质细胞和免疫细胞的神经炎症被认为可能对帕金森病的发病机制相关，但是这些途径是否与散发性疾病相关尚需进一步研究。此外，神经元与胶质细胞在帕金森病理中的相对贡献仍不清楚。尽管单细胞技术，包括多组学分析，正逐渐成为研究神经退行性疾病的热门方法，但这些工具现在才开始应用于帕金森病研究，尤其是利用人类脑组织。
2024年10月30日，美国耶鲁大学张乐课题组在Science Translational Medicine发表了题为 Single-cell transcriptomic and proteomic analysis of Parkinson’s disease brains 的研究论文。研究团队使用晚期帕金森病患者前额叶皮层脑组织及年龄性别匹配的对照组，进行了单细胞核转录组学和蛋白质组学研究，发现α-突触核蛋白病理与兴奋性神经元中的伴侣蛋白表达呈负相关，并且神经元与星形胶质细胞之间的相互作用选择性减弱，同时神经炎症加剧。该研究揭示了与帕金森病相关的转录和蛋白变化的独特视角，首次绘制了帕金森病大脑前额叶皮层的单细胞图谱。
尽管已有多个潜在机制被提出以解释帕金森病的病因，但迄今为止尚未有有效的治疗方法能够阻止疾病进展，这在一定程度上是因为帕金森病的细胞分子病理结构尚不明确。为了深入了解帕金森病的病理机制，该项研究利用单细胞转录组技术，分析了约80,000个来自晚期疾病大脑前额皮质的细胞核，识别出8种主要大脑细胞类型，并发现了帕金森病大脑中特有的细胞类型和转录组变化。研究发现，帕金森病患者的大脑中小胶质细胞增加，并且居于脑内的T细胞显著增多，表明存在显著的神经炎症。此外，兴奋性神经元中的α-突触核蛋白病理与分子伴侣表达呈负相关，意味着蛋白质折叠能力的降低可能是疾病进展的关键因素。在细胞间相互作用方面，研究发现帕金森病大脑中神经元与星形胶质细胞之间的相互作用显著减少，这种细胞间通讯的减少与神经炎症的加剧密切相关。
利用帕金森病全基因组基因分型项目的GWAS数据，研究团队进行了多组织联合分析，识别了48个基因，并且评估了这些基因在帕金森病大脑中各脑细胞类型的差异表达。帕金森病关联上调基因包括MAPT、TMEM163和KAT8，主要富集于少突胶质细胞，而大多数下调基因主要集中在兴奋性神经元中，包括LRC37A2、BCL7C和LRRC37A2。通过遗传学与单核转录组分析的整合研究揭示了GWAS疾病风险基因表达在帕金森病中表现出细胞异质性和特异性。
为进一步检测帕金森病大脑与健康对照之间蛋白质丰度差异，研究人员采用了无标记定量质谱技术，对来自相同供体、相同脑区和组织的蛋白质组变化进行分析。通过整合蛋白质组和单核转录组数据，研究人员在帕金森病的人脑蛋白质组数据集中识别出14个模块，其中，兴奋性神经元特异性标记基因在与突触相关的模块M1、M2和M11中富集，并且使用单细胞RNA速度分析也识别出了SYN2的富集，表明帕金森病大脑中突触信号在RNA和蛋白质水平上均表现出显著增加。基于共表达分析，这些变化可以归因于基于同一帕金森病大脑的单细胞转录组分析确定的特定细胞类型，尤其突触通路在帕金森病神经元中受到显著影响。
阿兹海默病病和帕金森病是两种最常见的晚发性神经退行性疾病，因此了解它们在转录组和蛋白质组层面的相似性和差异性具有重要意义。通过将该数据集与阿茨海默病大脑的类似数据进行对比，研究揭示了两个疾病在胶质细胞（如星形胶质细胞和小胶质细胞）中的共同特征，但在神经元层面则表现出明显差异，这表明帕金森病和阿兹海默病的病因不同。进一步研究表明，帕金森病、阿兹海默病、和其他神经退行性疾病在基因表达谱方面的共性主要集中在非神经元胶质细胞，特别是星形胶质细胞和小胶质细胞，这可能反映了免疫激活反应的相似性。
本研究首次绘制了帕金森病人类大脑的单细胞转录组和蛋白质组学图谱，为晚期帕金森病复杂的分子和细胞病理提供了宝贵的见解，展示了不同细胞类型在帕金森病进展中的作用。通过结合基因组、转录组和蛋白质组数据，该研究为未来开发新的帕金森病治疗策略提供了重要的参考和宝贵的资源。同时，它为评估整体神经退行性疾病功能障碍提供了工具，能够通过与包括运动障碍、认知下降、阿兹海默病谱系及其他Tau病的类似数据集进行交叉比较，帮助更好地理解疾病机制，并为治疗干预提供可行的靶点。
耶鲁大学医学院张乐助理教授， Sreeganga Chandra副教授和David Hafler教授为本文共同通讯作者，赵宏宇实验室和张乐实验室联合培养博士生朱碧晴为本文第一作者。