从单细胞代谢组学研究帕金森小鼠前额叶皮层中锥体神经元损伤的机制

Cognitive impairment is one of the major non-motor symptoms in patients with Parkinson's disease (PD), which is caused by dysfunction of pyramidal neurons and metabolism in the prefrontal cortex. Our previous experiments revealed that concentration of creatine and lactate were lower in PFC of PD mice model. However, detection of metabolites at tissue level which loses sight of heterogeneity of pyramidal neurons could not reveal the real metabolic status of single pyramidal neurons. In order to elucidate the cytoplasmic metabolites affecting damaged pyramidal neurons in PFC, electrophysiology, metabolomics and morphology of single pyramidal neurons are assessed in PFC. Electrophysiological, metabolic and morphologic profiling of single pyramidal neurons are analyzed to address the metabolites affecting lesion of pyramidal neurons in PD. Then cognitive behaviors of mice, electrophysiology and morphology of pyramidal neurons are tested after inhibition of metabolic pathways. Our study will provide a new insight into definition of pathogenesis of cognitive impairment in Parkinson’s disease.

认知功能障碍是帕金森病（PD）主要非运动症状之一，与前额叶皮层（PFC）锥体神经元代谢功能改变所致损伤有关，在我们前期工作中，应用代谢组学检测发现PD转基因小鼠PFC的肌酸等代谢物质浓度降低，但是由于不同神经元的代谢存在个体差异性，对疾病的反应性各不相同，组织水平的检测往往会掩盖单个神经元的变化，因此用单细胞代谢组学研究单个锥体神经元的变化显得尤为重要。为了阐明PD中PFC锥体神经元损伤的机制，本项目利用PD转基因小鼠，首先在离体水平，应用膜片钳、细胞成像与高分辨质谱技术，观察PFC单个锥体神经元的形态学改变、电生理学特性变化和代谢组分变化，并分析其相关性，阐明神经元损伤的关键代谢物质。然后在整体水平，干预相关代谢通路，观察PFC中锥体神经元的损伤程度及动物认知功能的变化。本项目从单细胞水平上，揭示了PFC锥体神经元代谢功能的改变在其损伤中的作用，为阐明PD认知障碍的机制提供新的依据。

认知障碍是帕金森病（Parkinson’s Disease, PD）人一个严重的非运动症状。为了阐明PD中认知障碍的代谢基础，我们检测MPTP诱导PD小鼠的海马代谢产物的浓度，发现相较于对照组，PD小鼠海马中乳酸、胆碱、肌酸以及磷酸肌酸发生了显著上升。文献报到多巴胺可以通过结合受体调控海马神经元代谢功能和认知功能，而作为海马多巴胺主要来源的腹侧被盖区(Ventral tegmental area, VTA)在PD中也受到一定程度的损伤。我们认为VTA多巴胺能神经元损伤导致海马多巴胺浓度降低，进而影响了细胞代谢功能。揭示VTA神经元损伤的机制有助于解释认知损伤的病理机制，因此我们分析了PD病人中脑单细胞测序结果探索了神经元损伤的细胞特异性分子机制。首先，我们使用相关分子标记物区分出了神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞和内皮细胞。定量统计分析结果显示PD导致各个种类的细胞中多个基因差异表达，其中多个基因表达趋势与整体测序结果相反。随后KEGG通路富集分析结果显示在神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞中差异表达的基因主要集中在突起生长和代谢功能相关的通路里。根据KEGG提示，对通路内基因进行定量统计分析，发现了多个关键基因在少突胶质细胞表达量较高，并且与对照组相比，PD组中这些基因表达差异明显。以上结果说明PD中少突胶质细胞可能通过调控多巴胺神经元突起损伤，影响多巴胺释放，进而影响海马代谢功能。最后，鉴于少突胶质细胞存在多个亚群，我们探究了这些亚群在PD中的病理作用。全基因组关联分析结果显示中脑多巴胺能神经元死亡与高表达Lama2的少突胶质细胞的基因差异表达密切相关。定量统计结果显示PD组突起生长和代谢功能相关的关键基因只在少数亚群里差异表达，说明基因只在部分少突胶质细胞中特异性高表达或者低表达。本研究的单细胞转录组分析结果显示PD中VTA神经元损伤与某些亚群的少突胶质细胞基因异常表达相关度较高，并且某些关键基因的差异表达具有细胞特异性，为揭示PD中的认知障碍提供了新的思路。