大家好，今天跟大家分享一篇题为Integrative multi-omic analysis reveals conserved cell-projection deficitsin human Down syndrome brains（综合多组学分析揭示了人类唐氏综合征大脑中保守的细胞投影缺陷）唐氏综合症 (DS) 是一种由人类21号染色体(HSA21)多余拷贝引起的神经发育障碍。患有唐氏综合症的人存在认知缺陷、言语和运动技能较差以及适应行为受损。
01
研究背景
唐氏综合症 （DS） 是认知障碍最常见的遗传原因。然而，目前尚不清楚小基因亚群的三份复制如何影响 DS 脑生理病理学的不同方面。在这里，我们采用多组学方法，同时通过 RNA-seq 和蛋白质组学分析了人类死后 DS 大脑两个不同区域的表达特征。
我们发现，一式三份基因的过表达会引发整体表达失调，从而不同地影响参与已知和新型生物候选途径的转录本、miRNA 和蛋白质。在后者中，我们观察到 RNA 剪接的改变，特别是调节 DS 大脑中参与细胞骨架和轴突动力学的基因的表达。
因此，我们发现来自DS人iPSC和小鼠的神经元的轴突极化发生了改变。因此，我们的研究提供了一个集成的多层表达数据库，能够识别新的潜在靶点，以帮助设计未来的 DS 临床干预措施。
见图一基因和转录本差异表达，表明与对照组相比，DS 患者大脑样本中存在不同的失调层。
图一
（A）基因/转录本关系：方框代表外显子，水平线代表内含子。
（B） 显着差异表达基因 （DEGs） 和转录本 （DETs） （FDR < 0.05， |log2FC|> 0.3），在将转录本映射到其起源基因后突出显示重叠/非重叠的基因实体。红色数字：相应成绩单的数量;p 值表示超几何检验。
（C）DS和对照个体海马体（紫色）和皮层（粉红色）中的DEG/DET数，以及相应的对数2FC。
（D） 海马体/皮层中具有不同数量 DET 的 DEG 百分比。
（E）不同细胞类型中上调/下调基因和转录本的细胞型折叠富集。热图：显着细胞富集的Z分数（p < 0.05;引导测试）。
（F） 海马体/皮层 DEG/DET 的 GO 分析。色条：日志10具有统计学意义的术语的 FDR（FDR < 0.05;本杰米尼-霍赫伯格校正）。红色下划线：基因和转录本之间的共享术语。
（G） DEG/DET 的 GO 分析显示海马体/皮层之间共享术语。红色下划线：基因和转录本之间的共享术语。
见图二
差异表达基因与蛋白质揭示了 DS 患者大脑样本中失调的不同生物学过程。
图二
（A）海马体/皮层中基因和蛋白质分析共有的所有实体的基因/蛋白质表达变化（p = 0.001，Pearson相关检验）。红点：在基因和蛋白质水平上具有显着差异表达的基因。橙点：仅显着差异表达基因。蓝点：仅显着差异表达的蛋白质。灰点：不显着的差异表达基因或蛋白质。虚线：蛋白质和基因对数之间的回归线2FC。
（B）差异表达基因和蛋白质的基因和蛋白质表达之间的相关性。色条（顶部）：皮尔逊相关系数。圆的尺寸与相关大小成正比。
（C） DEG/DEP （FDR < 0.05， |log2FC|> 0.3），具有重叠和非重叠实体。超几何测试后的p值。
（D）重叠DEG/DEPs的基因表达和蛋白表达的变化。绿点：基因和蛋白质水平在同一方向上具有显着差异表达的基因。黄点：在相反方向上具有显着差异表达的基因。水平虚线和垂直虚线：分别在 y 轴和 x 轴处为零点。
（E）DEP的细胞型折叠富集。顶部和底部面板分别显示不同细胞中上调和下调的蛋白质。热图中的数字：显着细胞富集的 Z 分数（p < 0.05;引导测试）。
（F）上调/下调基因和蛋白质的GO分析，如（A）所示（仅红、蓝、橙点）。色条：−log10具有统计学意义的项的 FDR（FDR < 0.05，Benjamini-Hochberg 校正）。红色下划线：基因和蛋白质之间的共享术语。
（G） 对显着上调和下调的基因/蛋白质进行 GO 分析，显示海马体和皮层之间的共同术语。红色下划线：基因和蛋白质之间的共享术语。
见图三
海马体中不同的基因与蛋白质模块揭示了不同的枢纽，调节 DS 患者和对照组大脑样本中的不同生物过程。
图三
（A）上图：通过对海马体（HH）样本中的基因（G）和蛋白质（P）进行加权基因共表达网络分析（WGCNA）获得的基因和蛋白质模块。热图：与 DS 或对照组的正/负相关，如颜色编码的双权重中相关系 （Bicor） 相关系数和相关性的统计显着性（括号中的数字）所示。具有统计学意义的模块（p < 0.05;Bicor 相关检验）根据相关系数的符号以红色或蓝色突出显示。中间：每个重要基因或蛋白质模块的细胞类型富集。色条：折叠丰富。星号：显着的细胞富集（bootstrap 显着性检验）。下图：通过对重要基因/蛋白质模块的GO分析鉴定的顶部富集生物过程（FDR < 0.05，Benjamini-Hochberg校正）。
（B）海马体中WGCNA衍生模块前20个基因/蛋白质的基因-基因（上）或蛋白质-蛋白质（下）相互作用网络。节点的大小表示连接程度，节点的颜色（如下编码）代表日志2差异表达分析中的 FC，无论其 FDR 如何。括号：每个模块中的基因/蛋白质数量。星号：一式三份的基因/蛋白质。
见图四
DS对照靶点属于多个生物学过程，与基因、转录本和蛋白质共表达模块相关性强，与DS或对照组呈正/负相关。
图四
（A）海马体和皮层之间的DEmiRNA重叠。红色数字：一式三份的miRNA。重叠上方的数字：超几何检验后的p值。
（B）我们从TargetScan数据库中过滤掉DEmiRNA（差异表达的靶对）的方法，以及我们对基因（图1）、蛋白质（图2）和miRNA（图的A）的差异表达分析。
（C）海马体和皮层中显着的DEmiRNA的RNA（浅棕色）、蛋白质（浅绿色）或基因和蛋白质水平（深绿色）的总体差异表达分析中显着差异表达的miRNA靶标的百分比。插图：差异表达的基因、蛋白质或两者兼而有之的百分比，也是海马体/皮层中 DEmiRNA 的靶标。重叠以下的数字：超几何检验后的p值。红色标签：图S7B和S7C中进一步分析的DEmiRNA。
（D）对DEmiRNA靶标的GO分析（来自C中的相同分析），分别显示在海马体或皮层中发现的独特术语，或在两者中共享的术语。色条：−log10具有统计学意义的项的 FDR（FDR < 0.05，Benjamini-Hochberg 校正）。红色下划线：与轴突发生、细胞投射和神经发生相关的生物过程。
见图五
DS患者脑部样本中的选择性剪接失调。
图五
（A）我们的差分剪接分析中考虑的选择性剪接事件。浅蓝色矩形：未剪接的外显子。深蓝色、绿色和橙色矩形：经历不同类型剪接的外显子。
（B）（A）所示的选择性剪接事件的PSI变化分布。括号中的数字：deltaPSI > 10 的事件。括号下方的数字：每种类型的选择性剪接事件相对于总数的频率。图中的阴影区域：DS和对照样本之间没有变化的事件。红色水平虚线：deltaPSI >10 或 <−10。
（C）左：经历选择性剪接事件的基因与海马体/皮层相应的DEG重叠。括号中的数字：经历不同选择性剪接的 DEG 百分比。∗p < 0.05;∗∗p < 0.01;似然比检验。右：具有不同选择性剪接事件的基因数量及其对应的对数分布2用于海马体/皮层的 FC。密度图中的数字：下调（左）或上调（右）事件相对于事件总数的百分比。
（D）根据剪接事件的类型分组的DeltaPSI基因本体分析（左彩色条和右上图例）。红色亮点：与轴突发生、细胞投射和神经发生相关的生物过程。
（E） DS组和对照组之间微外显子（3-27 nt）和大外显子（>27 nt）的DeltaPSI。点：异常值。每组的平均值显示在箱线图下方。∗∗∗∗p < 0.0001;韦尔奇的 t 检验。
（F）是否进行IR的基因中内含子的长度。点代表异常值。每组（不包括异常值）的平均值显示在箱线图下方。∗p < 0.05;韦尔奇的 t 检验。
见图六
RNA 结合蛋白负责 DS 患者海马样本中的外显子跳跃。
图六
（A）我们分析外显子跳跃基因中RNA结合蛋白（RBP）基序富集（黄色）的方法。考虑了跳跃外显子周围的六个区域。从我们的蛋白质组学数据中注释了具有显着区域富集的RBP的表达（p < 1e−5，似然比检验）。
（B）在deltaPSI为>10或<−10的EX基因的不同区域中，每个差异表达的RBP的结合基序数量。
（C）我们的RBP与EX相关方法。计算了经历EX的基因的RBP丰度和PSI之间的Pearson相关性。
（D）随机选择的差异表达RBP子集的RBP-EX相关性，其最高RBP-PSI相关性超过70%（如图S9A所示）。对于每个RBP，显示前10个RBP-PSI相关性。
（E）我们的RBP与基因表达相关方法。计算RBP丰度与经历EX的DEG的表达数据（CPM）之间的Pearson相关性。
（F）随机选择的差异表达RBP子集的RBP基因表达相关性，其最高RBP基因表达相关性超过70%（如图S9B所示）。对于每个RBP，显示前10个RBP基因相关性。
（G）在（B）（黄色）、（D）（蓝色）和（F）（粉红色）中鉴定的RBP重叠，导致PTBP2被鉴定为常见的RBP。数字：超几何检验后的p值。
02
研究结论
我们证实了神经炎症和 GABA 能系统的失调是成人 DS 大脑的主要特征，并强调了一类与发育过程中神经元极化相关的新型靶点。在基因调控的不同层面，我们证明了人类海马体和皮层的轴突发生、细胞投射、细胞骨架组织、神经发生和突触信号传导的显着变化。最后，我们的研究提出了对患有 DS 的成人和儿童进行治疗干预的两个可能窗口。未来针对不同大脑区域不同年龄和性别受试者的研究将有助于开发针对时间、大脑区域和性别的治疗干预措施。
好了，今天的文献解读就到这儿来，我们下期再见！如果你正在开展临床研究.需要方案设计.数据管理. 数据分析等支持.也随时可以联系我们。