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单细胞和批量RNA测序联合分析揭示阿尔茨海默病免疫微环境中昼夜节律紊乱的表达模式

期刊:frontiers in immunologyDOI:10.3389/fimmu.2023.1182307

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:


单细胞与批量RNA测序联合分析揭示阿尔茨海默病免疫微环境中昼夜节律紊乱的表达模式

第一作者及机构
本研究由Huiling He、Yingxia Yang等作者共同完成,通讯作者为Meili Yang(邮箱:yml6886@163.com)。研究团队来自中国福建医科大学附属第二医院神经内科。论文于2023年5月12日发表在开放获取期刊*Frontiers in Immunology*(影响因子:7.3),标题为《Combined analysis of single-cell and bulk RNA sequencing reveals the expression patterns of circadian rhythm disruption in the immune microenvironment of Alzheimer’s disease》,DOI: 10.3389/fimmu.2023.1182307。


学术背景
阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是全球最常见的年龄相关性神经退行性疾病,占痴呆病例的70%。尽管淀粉样斑块和tau蛋白异常磷酸化被认为是AD的核心病理特征,但疾病异质性和复杂机制导致现有疗法效果有限。近年研究发现,昼夜节律紊乱(circadian rhythm disruption, CRD)通过氧化损伤、β-淀粉样蛋白(Aβ)病理相互作用等途径促进AD进展,但其在AD免疫微环境中的作用尚不明确。免疫细胞(如B细胞、T细胞)在AD中扮演关键角色,而昼夜节律基因(circadian-related genes, CRGs)可调控免疫细胞功能。本研究旨在通过单细胞和批量RNA测序联合分析,揭示CRD在AD免疫微环境中的表达模式,并构建诊断模型。


研究流程与方法
1. 数据获取与预处理
- 单细胞数据:从GEO数据库下载AD患者外周血单细胞RNA测序数据集(GSE181279,含2例正常和3例AD样本),经Seurat包质控过滤后获得36,725个细胞,鉴定出6种主要免疫细胞类型(CD4+ T细胞、CD8+ T细胞、B细胞等)。
- 批量转录组数据:从公共数据库获取10个AD相关数据集(如GSE106241、GSE84422等),用于验证CRD评分(CRscore)的可靠性。

  1. CRD量化与细胞亚群分析

    • 基于2091个CRGs和AD差异表达基因(DEGs),筛选出201个关键CRGs,通过信号噪声比算法计算单细胞水平的CRscore。
    • 按CRscore将细胞分为高/低CR组,分析B细胞、CD4+ T细胞和CD8+ T细胞的亚群异质性。例如,B细胞被分为初始B细胞、记忆B细胞等4个亚群,并通过CellPhoneDB分析细胞间互作。
  2. 功能与调控网络分析

    • 使用pySCENIC分析转录因子(TF)活性,发现低CR组中NF-κB、FOS等TF显著激活。
    • 伪时间轨迹分析(Monocle 3)显示,低CR组B细胞和T细胞分化轨迹与AD进展相关。
  3. 机器学习模型构建

    • 整合12种机器学习算法(如随机森林、LASSO),从201个CRGs中筛选出9个特征基因(如GLRX、MEF2C),构建诊断模型。模型在6个独立数据集中验证,AUC达0.727–0.960。
  4. 实验验证

    • 体外实验:用Aβ1-42寡聚体处理原代皮质神经元,RT-PCR验证特征基因(如NR4A1、CEBPB)的表达异常。

主要结果
1. 单细胞水平CRD异质性
- B细胞CRscore最高,其高CR组富集于氧化磷酸化和代谢通路,低CR组则高表达促炎因子(如CCL4)。
- CD4+ T细胞中,低CR组通过APP_CD74等配体-受体对增强细胞互作,并激活NF-κB、p53等促AD通路。

  1. 批量转录组验证

    • 低CRscore AD患者病理标志物(如β-分泌酶)水平更高,且免疫浸润评分显著升高(p<0.05)。
  2. 诊断模型性能

    • 9基因特征(如PSMA5、SEC61G)在癌症和AD中均显示预后价值,实验证实其在AD神经元中异常表达。

结论与价值
1. 科学意义
- 首次在单细胞层面揭示CRD通过调控免疫细胞代谢和互作驱动AD进展,为“昼夜节律-免疫-AD”轴提供机制解释。
2. 应用价值
- 9基因CRD特征可作为AD早期诊断标志物,个体化药物预测(如MK-886对低CR患者)为治疗提供新策略。


研究亮点
1. 方法创新:联合单细胞/批量测序与多算法机器学习,突破传统研究的组织平均化局限。
2. 发现新颖:揭示CRD通过TF网络(如NF-κB)重编程免疫微环境,提出“抗痴呆昼夜节律疗法”概念。
3. 跨疾病验证:特征基因在泛癌中的预后关联提示CRD可能是神经退行性与肿瘤疾病的共同节点。


其他价值
- 公开数据与代码(GSE181279、pySCENIC)支持研究可重复性。
- 提出的免疫代谢调控机制为后续靶向药物开发提供理论依据。

(报告总字数:约1,800字)

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