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.
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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.
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.
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.
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분석의 2단계부터 9단계까지는 R 소프트웨어를 사용하여 구현되었으며( 보충 그림 1 및 보충 파일 1 참조), 나머지 단계는 온라인 플랫폼에서 실행되었습니다. 이 프로토콜에 사용된 데이터베이스의 세부 정보(웹 링크 포함)는 재료 목차에 나와 있습니다.
1. 데이터 수집
2. 샘플 병합
3. 품질 관리 (QC)
4. 배치 효과 검사
5. 데이터 통합
6. 셀 유형 주석
7. 신경교세포 데이터 추출
8. 신경교세포(Glial sex-specific) 차등 발현 유전자(DEGs) 포획
9. 성별 특이적 DEG의 기능적 농축 분석
10. go 및 kegg 경로에서 신경교 DEG의 빈도 통계, 각 신경교 성별 특이적 DEG의 벤 다이어그램 및 PPI 네트워크 구성
11. 다단계 규제 네트워크 구축
12. 유전자 및 표적 한의학 분석
13. 핵심유전자를 표적으로 하는 한의학적 성분에 대한 연구요약
14. 알츠하이머병의 성별 특이성에 대한 중의학자의 치료 기능 확인
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전두엽 신경교세포 전사체 프로파일의 SnRNA-seq 분석 및 세포 유형 주석
총 220,095개의 핵과 32,077개의 유전자가 남성 AD 17명과 여성 AD 17명의 전두엽 피질에서 얻어졌다(그림 1A). UMAP 플롯은 차원 축소 분석 후 뚜렷한 유형의 핵을 표시하는 총 단일 핵 전두엽 전사체를 시각화했습니다(그림 1B). 성별에 따라 포획된 주석이 달린 핵의 총 수를 보여주었으며, 그 합계는 58,902개의 성상교세포, 14,265개의 미세아교세포, 77,466개의 희소돌기아교세포, 3,520개의 내피세포, 25,252개의 흥분성 뉴런, 31,268개의 억제성 뉴런 및 9,422개의 희소돌기아교세포 전구세포를 포함했습니다(그림 1C). 각 신경교세포에 대해 알려진 세포 유형 마커의 평균 발현을 UMAP 플롯에 투영하여 세포 집단...
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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. NLGN4Y를 조절하는 TF와 miRNA는 성별 차이 및 신경계의 발달과 밀접한 관련이 있었습니다. 또한, 표적 한의사인 쿤부(Kunbu)와 마황(Mahuang)은 "호르몬-시냅스-뉴런" 축에 잠재적으로 영향을 미칠 수 있는 것으로 간주되었으며, 성별 특이성 조절에 의해 알츠하이머병의 치료 후보로 작용하는 것으로 확인되었습니다.
Harmony 알고리즘은 희귀 세포의 데이터를 통합하고, 대규모 샘플에 대한 메모리 사용 및 계산 속도를...
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이 원고에는 이해 상충이 없으며, 모든 저자가 출판을 위한 제출을 승인했습니다.
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.
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| Coremine Medical database | 노르웨이, 중국과학원, 중국의학원, 미국 국립의학도서관 및 기타 기관 | CoreMine Medical에서 개념을 탐색할 때 통계적 관련성에 따라 순위가 매겨진 중요한 개념과 관련되도록 구조화된 데이터베이스에 액세스합니다. 당신의 주제에. 예를 들어 "알츠하이머병"을 입력하면 알츠하이머병에 대해 논의하는 문서 및 리소스를 검색할 수 있을 뿐만 아니라 쿼리 개념이 다른 생물 의학 개념과 어떻게 관련되어 있는지 보여 주는 네트워크 및 목록을 볼 수 있습니다. 이는 검색과 관련된 개념에 대한 개요와 이러한 개념에 대한 정보를 탐색하기 위한 인터페이스입니다. Weblink: https://coremine.com/medical/ | |
| Gene Expression Omnibus (GEO) | National Center for Biotechnology Information in the United States (NCBI) | GEO는 MIAME 준수 데이터 제출을 지원하는 공개 기능 유전체학 데이터 저장소입니다. 배열 및 시퀀스 기반 데이터가 허용됩니다. 사용자가 실험 및 선별된 유전자 발현 프로파일을 쿼리하고 다운로드하는 데 도움이 되는 도구가 제공됩니다. Weblink: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/ | |
| Integrative Pharmacology-based Research Platform of Traditional Chinese Medicine (TCMIP, version: 2.0) | 없음 | Introduction to the Integrated Pharmacology Based Network Computational Research Platform for Traditional Chinese Medicine [TCMIP v2.0], http://www.tcmip.cn/ ) 지능형 데이터 마이닝입니다. 의료 빅 데이터 관리 및 약리학 컴퓨팅 서비스를 통합하는 ETCM(Encyclopedia of Traditional Chinese Medicine)의 온라인 데이터베이스를 기반으로 하는 플랫폼입니다. 그것은 전통 한의학 이론의 과학적 의미와 전통 중국 의학에서 독창적인 사고의 과학적 가치를 밝히고, 유명한 의사의 경험을 요약 및 전달하고, 전통 한의학의 품질을 관리하고, 전통 한의학 작용의 원리를 설명하고, 새로운 한의학의 연구 개발, 특히 현대 약물 조합의 발견 및 최적화를 설명합니다. 강력한 데이터 기반 및 분석 도구를 제공합니다. TCMIP v1.0을 기반으로 5개의 주요 데이터베이스와 7개의 기능 모듈을 포함하는 포괄적인 업그레이드가 구현됩니다. 시스템 통합 및 모듈 통합을 통해 "질병 증후군 처방" 상호 작용 네트워크의 다단계 상관 관계에 대한 포괄적인 분석을 신속하게 달성할 수 있습니다. 지능형 데이터 마이닝 플랫폼인 TCMIP v2.0은 전통 한의학 이론의 과학적 의미와 전통 중국 의학에 대한 독창적인 사고의 과학적 가치를 밝히고, 유명 의사의 경험을 요약 및 계승하고, 전통 중국 의학의 품질 관리, 전통 중국 의학 행동의 원리를 설명하고, 새로운 전통 한의학 약물, 특히 현대 약물 조합 발견 및 최적화의 연구 개발. Weblink: http://www.tcmip.cn/TCMIP | |
| NetworkAnalyst | 없음 | Networkanalyze는 유전자 발현 분석 및 메타 분석을 위한 온라인 시각화 분석 플랫폼입니다. 유전자 발현의 비교, 정량, 차등 및 농축 분석, 단백질-단백질 상호 작용 분석, 여러 데이터 세트의 통합 분석을 수행할 수 있으며 PCA, 단백질-단백질 상호 작용 네트워크 다이어그램, 히트맵, 화산 다이어그램, 웨인 다이어그램 등과 같은 고부가가치 이미지를 그릴 수도 있습니다. Weblink: https://www.networkanalyst.ca/NetworkAnalyst/ | |
| PubMed 데이터베이스 | 미국 국립 생명공학 정보 센터(NCBI) | Pubmed 데이터베이스는 미국 국립 의학 도서관(NLM)에서 유지 관리하는 생물 의학 문헌 데이터베이스로, 전 세계 과학자, 의사, 연구원 및 학생에게 최신 의학 연구 결과를 제공하는 것을 목표로 합니다. 이 데이터베이스는 저널 기사, 논문, 서적 등을 포함하여 전 세계의 생물 의학 문헌을 수집합니다. 현재 Pubmed 데이터베이스는 3천만 개 이상의 기사를 수집했으며 매주 지속적으로 업데이트됩니다. Weblink: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/ | |
| R 소프트웨어 | Ross Ihaka and Robert Gentleman | R은 통계 컴퓨팅 및 그래픽을 위한 언어 및 환경입니다. 이것은 Bell Laboratories (이전의 AT& T, now Lucent Technologies)를 저술했습니다. R은 S의 다른 구현으로 간주될 수 있습니다. 몇 가지 중요한 차이점이 있지만><, S용으로 작성된 많은 코드는 R. Weblink에서 변경되지 않고 실행됩니다: https://www.r-project.org/ | |
| Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform (TCMSP) | Zhejiang Jiuwei Health Co., Ltd | TCMSP는 데이터 저장소일 뿐만 아니라 사용자가 전통 한의학(TCM)을 종합적으로 연구할 수 있는 분석 플랫폼이기도 합니다. 활성 성분의 식별, 약물 표적의 스크리닝 및 화합물-표적-질병 네트워크의 생성뿐만 아니라 약물 유사성(DL), 경구 생체 이용률(OB), 혈액-뇌 장벽(BBB), 장 상피 투과성(Caco-2), ALogP, 분획 음성 표면적(FASA-) 및 의 수와 관련된 자세한 약물 약동학 정보를 포함합니다. H-본드 기증자/수용자 (Hdon/Hacc). 지금까지 TCMSP는 광범위한 관심을 끌었으며 여러 그룹에서 약 1년 이내에 TCMSP 데이터베이스를 사용하여 10개 이상의 논문을 발표했습니다. Weblink: https://tcmsp-e.com |
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