人类海马体单核与空间转录组整合图谱揭示分子景观及其在神经精神疾病中的意义

这篇研究通过整合单核RNA测序（snRNA-seq）和空间转录组学（SRT）技术，首次绘制了成人海马体（HPC）的高分辨率分子图谱。研究揭示了海马体亚区（如齿状回、CA1-CA4、下托）的细胞类型空间分布特征，并利用非负矩阵分解（NMF）识别了与突触可塑性（如nmf13/nmf7）和神经元活动（如nmf91/nmf20）相关的基因表达模式。通过跨物种分析，研究者将小鼠电惊厥刺激（ECS）数据映射到人类海马体，预测了颗粒细胞（GC）的活性依赖转录程序。此外，研究还发现了下托（SUB）和 retrohippocampal（RHP）区域的层状分子标记（如COL24A1、TOX），为理解阿尔茨海默病（AD）和精神分裂症（SCZ）等疾病的神经环路机制提供了新视角。

实验设计与数据生成

研究团队对10例神经典型成人脑样本的前海马体进行了解剖，通过Visium空间基因表达平台（Visium-H&E）和10x Genomics单核RNA测序技术，获得了150,917个空间位点和75,411个高质量核的转录组数据。空间数据采用nnSVG和PRECAST算法进行聚类，识别出18个空间域，包括齿状回颗粒细胞层（GCL）、CA1-CA4锥体神经元层以及下托（SUB）等区域。单核数据通过基于偏差的特征选择和批次校正，最终注释出60个细胞簇，涵盖兴奋性神经元、GABA能神经元和胶质细胞等类型。

海马体空间分子架构

空间差异表达分析揭示了海马体亚区的标志性基因：GCL高表达PPFIA2，CA1-CA4富集PRKCG，而SLM-SGZ神经毡区域特异性表达SFRP2。通过伪批量模型比较发现，神经元富集区域（如CA1）高表达CLSTN3，而血管/脑脊液区域则特异性表达TPM2。单核数据进一步解析了颗粒细胞的异质性，例如表达不同激活素受体（ACVR1/ACVR2A/ACVR1C）的亚群，提示成年期GCL存在稳定的功能分化。

跨模态数据整合

研究采用两种整合策略：

1. 空间解卷积：通过Visium-SPG（空间蛋白质组学）验证了RCTD算法在预测神经元（NEUN⁺）、少突胶质细胞（OLIG2⁺）空间分布的准确性（ρ>0.86）。
2. 非负矩阵分解（NMF）：从单核数据中提取100个表达模式，其中47个具有空间域特异性。例如，nmf77（少突胶质细胞相关）和nmf81（星形胶质细胞相关）分别富集于髓鞘形成（ANK3/RHOA）和突触调控（NRXN1/NCAN）通路。更引人注目的是，nmf13和nmf7捕获了跨神经元的突触特征——前者与兴奋性突触后响应（CAMKK1/DLGAP3）相关，后者编码抑制性突触结构（GABRA1/KIF5A）。

活动依赖性转录程序的发现

通过将人类NMF模式映射到小鼠电惊厥刺激（ECS）数据集，研究者发现：

• 即刻早期基因模式：nmf91（FOS/JUN/NR4A1）在ECS激活的颗粒细胞中权重显著增加，且68.9%的nmf91⁺位点位于神经元或神经毡区域。
• 突触可塑性模式：nmf14（BDNF/ACVR1C/SGK1）在ECS颗粒细胞中上调，其人类同源位点主要分布于GCL表层，提示该区域细胞具有突触稳态调节潜能。
  对比之下，nmf10（CNTN1/ADAM22）在静息态颗粒细胞中活跃，可能参与维持已建立的突触连接。

下托与海马旁回的空间分子解析

NMF揭示了海马旁回（RHP）的精细分层结构：

• 下托亚区：nmf40（Sub.1）和nmf54（Sub.2）分别对应CA1近端和中层，而nmf65标记的深层SUB（Sub.3）高表达SCN7A和COL4A1。跨物种分析显示，SUB神经元特异性投射至丘脑和 hypothalamus。
• 前下托（PreS）：nmf17模式的空间分布与经典解剖学描述一致，其标记基因MDFIC可能参与糖皮质激素响应。研究者还鉴定出新型分层标志物，如浅层SUB的NDST4（突触特异性）和深层SUB的TRPC3（离子通道调控）。

疾病关联与意义

S-LDSC分析显示，CA1空间域与精神分裂症（SCZ）遗传风险显著相关，而RHP区域在多种精神疾病中富集。此外，小胶质细胞模式在阿尔茨海默病（AD）中呈现特异性关联。这些发现为靶向特定海马体环路的治疗策略提供了分子基础，例如通过调节BDNF-SORCS3通路改善突触功能障碍。

该研究构建的交互式数据库（如Samui）将促进海马体在认知和情绪障碍中的深入研究，其整合方法论（NMF+跨物种映射）为其他脑区图谱研究提供了范式。