多发性硬化症(Multiple Sclerosis, MS)是一种慢性自身免疫性疾病,主要影响中枢神经系统(Central Nervous System, CNS)中的成熟少突胶质细胞(Oligodendrocytes, OLs)及其髓鞘。少突胶质细胞具有异质性,能够在MS中表现出类似免疫细胞的状态,但其动态变化仍不明确。本研究利用单细胞多组学测序技术,包括转座酶可及染色质分析(ATAC-seq)和RNA测序(RNA-seq),对实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)小鼠模型在多个疾病阶段中的少突胶质细胞(OLG)进行了分析。研究发现,免疫样少突胶质细胞状态在疾病早期阶段就出现,并且在疾病晚期阶段持续存在,这可能与之前神经炎症的表观遗传记忆有关。转录因子活性表明,在疾病早期阶段,少突胶质细胞表现出免疫抑制的特征。不同的少突胶质细胞对EAE表现出不同的反应性,其中MOL2显示出比MOL5/MOL6更强的转录免疫反应,并在疾病演变过程中表现出不同的表观遗传反应。本研究的单细胞多组学资源可用于访问加州大学圣克鲁兹分校的Cell Browser和Genome Browser,并且提供了对MS中少突胶质细胞动态的更深入理解,有助于探索这些细胞群体作为免疫调节和髓鞘再生的潜在靶点。
多发性硬化症(MS)是一种影响中枢神经系统的炎症性自身免疫疾病。少突胶质细胞是CNS中的髓鞘形成细胞,其前体细胞(少突胶质前体细胞,OPCs)存在于发育和成年CNS中,并能够分化为髓鞘形成成熟的少突胶质细胞(MOLs)。MS通常被认为主要由T细胞和B细胞驱动。然而,最近的研究表明,少突胶质细胞不仅在MS中,还在阿尔茨海默病和衰老过程中表达免疫调节分子。这些发现提示了少突胶质细胞在CNS中免疫反应调节中的潜在作用。
单细胞/细胞核RNA测序(scRNA-seq)已被用于揭示MS和EAE中特定少突胶质细胞/OPC亚群。ATAC-seq是一种高通量测序技术,用于评估全基因组染色质可及性,并提供了关于开放染色质区域的信息,这些区域是基因表达所必需的。通过同时应用单细胞ATAC-seq和scRNA-seq,我们之前发现,一组免疫基因在控制动物和EAE峰值阶段的动物中表现出开放染色质,但其表达仅在EAE背景下增加。这些研究是在单个时间点进行的,分别在小鼠EAE的峰值阶段和人类MS组织的晚期阶段进行。因此,少突胶质细胞在疾病过程中的动态变化尚未被充分探索。
本研究旨在探讨OPC和MOL在EAE过程中的表观基因组和转录组动态变化。我们使用单细胞多组学ATAC-seq和RNA-seq技术,对通过荧光激活细胞分选(FACS)分离的少突胶质细胞进行了分析。在三个不同的时间点:早期、峰值和晚期阶段,我们收集了雄性和雌性小鼠的脊髓组织。在早期阶段,一部分与抗原呈递相关的基因在OPC和MOL中表现出增加的表达和染色质可及性,表明少突胶质细胞的免疫样状态在病变形成之前就已经出现。此外,这些基因在晚期阶段仍然表现出高度的染色质可及性,这可能表明这些免疫样状态在一定程度上被部分维持,或者存在表观遗传记忆。此外,不同的少突胶质细胞亚型在基因表达和染色质可及性方面表现出不同的变化模式。我们观察到,白质富集的MOL2表现出比MOL5/MOL6更高的免疫特征,而MOL5/MOL6则表现出在晚期阶段诱导染色质可及性,特别是与再生途径相关的基因。我们的研究结果表明,少突胶质细胞在EAE中表现出动态且亚型特异性反应,这可能为MS的调控提供潜在策略。
在EAE的不同阶段,我们通过单细胞多组学分析发现,免疫样少突胶质细胞状态在疾病早期阶段出现,并在晚期阶段持续存在。在EAE峰值阶段,染色质可及性和免疫基因表达的特征已被报道,因此我们进一步探讨了这些免疫样状态是否由其免疫状态驱动。我们对OPC和MOL进行了子集和重新聚类,以识别那些表达免疫相关基因的细胞。免疫样少突胶质细胞(imOLG)在CFA-Ctrl小鼠中几乎未观察到,但在EAE小鼠中发现,其中在峰值阶段的百分比高于早期和晚期阶段(早期阶段26.80%,峰值阶段66.91%,晚期阶段32.41%)。然而,通过染色质可及性评估的imOLG数量少于通过免疫基因表达评估的数量(早期阶段14.69%,峰值阶段37.71%,晚期阶段17.81%)。这可能是由于一些CFA-Ctrl和Naive-Ctrl小鼠中的少突胶质细胞在免疫基因位点上表现出已有的染色质可及性,但表达水平较低或没有表达,这使得基于染色质可及性的免疫状态的截止值高于基于表达的截止值。因此,我们的数据表明,OPC和MOL在EAE的早期阶段向免疫样状态的过渡发生在转录组和表观基因组层面,并且在晚期阶段仍然存在,尽管炎症已经缓解。
为了进一步探讨少突胶质细胞在EAE中的不同行为,我们对MOL2和MOL5/MOL6在不同时间点的基因表达进行了比较。我们发现,MOL2在EAE的峰值和晚期阶段的百分比显著高于CFA-Ctrl和早期阶段。这可能是因为MOL5/MOL6向MOL2的转化,或者OPC在EAE背景下向MOL2的分化。我们还观察到,MOL2表现出比MOL5/MOL6更高的免疫反应性。在免疫相关基因中,一些基因在特定的MOL亚型中更为丰富,而另一些涉及细胞因子和T细胞免疫反应的基因则在所有MOL中表现出相似的表达水平。这些结果表明,MOL2在EAE背景下表现出更强的免疫反应性,可能在疾病进展中发挥更关键的作用。
此外,我们还发现,少突胶质细胞在EAE的晚期阶段表现出与损伤相关的转录反应,这可能涉及凋亡和生存机制。我们观察到,在峰值阶段,大多数少突胶质细胞同时表达损伤和IFN相关的基因,而在早期和晚期阶段,一部分细胞仅表达其中一种类型。然而,染色质可及性显示出更强的特异性,这表明在峰值阶段,尽管这些基因的转录水平较高,但其染色质可及性已经降低。MOL2在峰值和晚期阶段表现出更高的损伤和IFN相关模式,而MOL5/MOL6则在晚期阶段表现出更高的损伤相关模式。此外,我们还发现,晚期阶段的某些OPC细胞并未表现出损伤或IFN相关的模式,这可能表明这些OPC细胞具有非疾病特征,并可能在慢性阶段的疾病中参与髓鞘再生。类似地,通过染色质可及性识别的损伤和IFN相关的少突胶质细胞数量少于通过基因表达识别的数量。
为了探讨不同少突胶质细胞亚型在EAE过程中的动态反应,我们进行了差异基因表达分析,将不同阶段的差异基因分为四类,并进一步分为子类。差异表达的基因和相关的基因本体论(GO)在补充表中列出。我们还观察到,某些免疫相关基因在MOL2中表现出更高的染色质可及性,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的变化模式。这表明,MOL2在EAE背景下表现出更强的免疫反应性,可能在疾病进展中发挥重要作用。
在EAE的不同阶段,我们还发现,免疫相关基因的染色质可及性在MOL2中表现出更高的持续性,而MOL5/MOL6则表现出不同的变化。此外,我们还发现,某些基因在MOL2中表现出更高的表达,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的表达模式。这些结果表明,MOL2在EAE背景下可能表现出更强烈的免疫反应性,并且可能在慢性阶段的疾病中发挥重要作用。
通过RNA velocity分析,我们发现MOL2和MOL5/MOL6在EAE背景下表现出不同的动态反应。我们观察到,MOL2中的某些基因在早期阶段表现出更高的染色质可及性,而MOL5/MOL6则表现出不同的变化模式。此外,我们还发现,某些基因在MOL2中表现出更高的表达,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的表达模式。这些结果进一步表明,MOL2和MOL5/MOL6在EAE背景下表现出不同的再生反应性。
在EAE的不同阶段,我们还发现,转录因子活性的变化可能与免疫抑制相关。我们推断了OPC和MOL5/MOL6的全球基因调控网络(GRN),并观察到在不同阶段中转录因子的活性发生了变化。我们发现,BACH2在CFA-Ctrl小鼠中表现出更高的活性,而在任何EAE阶段中则表现出较低的活性。这可能表明,BACH2在免疫反应的调控中起着重要作用。此外,我们还发现,某些转录因子在EAE的不同阶段中表现出不同的活性,这可能与免疫反应的调控有关。
通过IFNγ处理,我们发现OPC和Oli-neu细胞在染色质可及性方面表现出一定的表观遗传记忆。这表明,OPC可能在慢性阶段的疾病中表现出更高的免疫反应性。然而,进一步的研究需要确定这种表观遗传记忆是否也存在于成年OPC和MOL中,并且是否在第二次炎症刺激后发挥作用。此外,我们还发现,MOL5/MOL6在早期阶段表现出更高的染色质可及性,这可能表明这些细胞在疾病早期阶段表现出更强的再生能力。然而,由于表观基因组数据的性质,我们无法确定是否能够利用这种能力来促进髓鞘再生。
在EAE的不同时期,我们还发现,免疫相关基因的表达和染色质可及性在MOL2中表现出更高的持续性,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的变化模式。这可能表明,MOL2在EAE背景下表现出更强的免疫反应性,并且可能在慢性阶段的疾病中发挥重要作用。此外,我们还发现,某些基因在MOL2中表现出更高的表达,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的表达模式。这些结果进一步表明,MOL2和MOL5/MOL6在EAE背景下表现出不同的再生反应性。
在EAE的不同阶段,我们还发现,转录因子的活性可能与免疫抑制相关。我们推断了OPC和MOL5/MOL6的全球基因调控网络(GRN),并观察到在不同阶段中转录因子的活性发生了变化。我们发现,BACH2在CFA-Ctrl小鼠中表现出更高的活性,而在任何EAE阶段中则表现出较低的活性。这可能表明,BACH2在免疫反应的调控中起着重要作用。此外,我们还发现,某些转录因子在EAE的不同阶段中表现出不同的活性,这可能与免疫反应的调控有关。
通过IFNγ处理,我们发现OPC和Oli-neu细胞在染色质可及性方面表现出一定的表观遗传记忆。这表明,OPC可能在慢性阶段的疾病中表现出更高的免疫反应性。然而,进一步的研究需要确定这种表观遗传记忆是否也存在于成年OPC和MOL中,并且是否在第二次炎症刺激后发挥作用。此外,我们还发现,MOL5/MOL6在早期阶段表现出更高的染色质可及性,这可能表明这些细胞在疾病早期阶段表现出更强的再生能力。然而,由于表观基因组数据的性质,我们无法确定是否能够利用这种能力来促进髓鞘再生。
在EAE的不同阶段,我们还发现,免疫相关基因的表达和染色质可及性在MOL2中表现出更高的持续性,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的变化模式。这可能表明,MOL2在EAE背景下表现出更强的免疫反应性,并且可能在慢性阶段的疾病中发挥重要作用。此外,我们还发现,某些基因在MOL2中表现出更高的表达,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的表达模式。这些结果进一步表明,MOL2和MOL5/MOL6在EAE背景下表现出不同的再生反应性。
在EAE的不同阶段,我们还发现,免疫相关基因的表达和染色质可及性在MOL2中表现出更高的持续性,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的变化模式。这可能表明,MOL2在EAE背景下表现出更强的免疫反应性,并且可能在慢性阶段的疾病中发挥重要作用。此外,我们还发现,某些基因在MOL2中表现出更高的表达,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的表达模式。这些结果进一步表明,MOL2和MOL5/MOL6在EAE背景下表现出不同的再生反应性。
在EAE的不同阶段,我们还发现,免疫相关基因的表达和染色质可及性在MOL2中表现出更高的持续性,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的变化模式。这可能表明,MOL2在EAE背景下表现出更强的免疫反应性,并且可能在慢性阶段的疾病中发挥重要作用。此外,我们还发现,某些基因在MOL2中表现出更高的表达,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的表达模式。这些结果进一步表明,MOL2和MOL5/MOL6在EAE背景下表现出不同的再生反应性。
通过RNA velocity分析,我们发现MOL2和MOL5/MOL6在EAE背景下表现出不同的动态反应。我们观察到,MOL2中的某些基因在早期阶段表现出更高的染色质可及性,而MOL5/MOL6则表现出不同的变化模式。此外,我们还发现,某些基因在MOL2中表现出更高的表达,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的表达模式。这些结果进一步表明,MOL2和MOL5/MOL6在EAE背景下表现出不同的再生反应性。
在EAE的不同阶段,我们还发现,免疫相关基因的表达和染色质可及性在MOL2中表现出更高的持续性,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的变化模式。这可能表明,MOL2在EAE背景下表现出更强的免疫反应性,并且可能在慢性阶段的疾病中发挥重要作用。此外,我们还发现,某些基因在MOL2中表现出更高的表达,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的表达模式。这些结果进一步表明,MOL2和MOL5/MOL6在EAE背景下表现出不同的再生反应性。
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在EAE的不同阶段,我们还发现,免疫相关基因的表达和染色质可及性在MOL2中表现出更高的持续性,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的变化模式。这可能表明,MOL2在EAE背景下表现出更强的免疫反应性,并且可能在慢性阶段的疾病中发挥重要作用。此外,我们还发现,某些基因在MOL2中表现出更高的表达,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的表达模式。这些结果进一步表明,MOL2和MOL5/MOL6在EAE背景下表现出不同的再生反应性。
通过单细胞多组学分析,我们发现MOL2在EAE的不同阶段表现出更高的免疫反应性,而MOL5/MOL6则表现出不同的变化模式。这可能表明,MOL2在EAE背景下表现出更强的免疫反应性,并且可能在慢性阶段的疾病中发挥重要作用。此外,我们还发现,某些基因在MOL2中表现出更高的表达,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的表达模式。这些结果进一步表明,MOL2和MOL5/MOL6在EAE背景下表现出不同的再生反应性。
在EAE的不同阶段,我们还发现,免疫相关基因的表达和染色质可及性在MOL2中表现出更高的持续性,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的变化模式。这可能表明,MOL2在EAE背景下表现出更强的免疫反应性,并且可能在慢性阶段的疾病中发挥重要作用。此外,我们还发现,某些基因在MOL2中表现出更高的表达,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的表达模式。这些结果进一步表明,MOL2和MOL5/MOL6在EAE背景下表现出不同的再生反应性。
通过RNA velocity分析,我们发现MOL2和MOL5/MOL6在EAE背景下表现出不同的动态反应。我们观察到,MOL2中的某些基因在早期阶段表现出更高的染色质可及性,而MOL5/MOL6则表现出不同的变化模式。此外,我们还发现,某些基因在MOL2中表现出更高的表达,而在MOL5/MOL6中则表现出不同的表达模式。这些结果进一步表明,MOL2和MOL5/MOL6在E