单细胞多组学解析可卡因使用障碍：揭示关键靶点与细胞特异性机制

时间：2025年4月11日

来源：Nature Communications

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为探究可卡因使用障碍（CocUD）分子机制，研究人员对 CocUD 患者和对照者的尾状核组织进行单细胞多组学分析。结果发现 1485 个差异表达基因和 10,342 个差异可及峰，确定 ZEB1 等关键转录因子及 PDE10A 等潜在药物靶点，为成瘾研究提供新方向。

可卡因，作为全球范围内广泛滥用的非法精神兴奋剂，给公共卫生带来了巨大挑战。在美国，约 480 万人在过去 12 个月内使用过可卡因，其中 0.5% 被诊断为可卡因使用障碍（CocUD）。CocUD 不仅与心血管、呼吸系统并发症密切相关，其导致的死亡率也在不断攀升。

目前，虽然已知遗传和环境因素共同影响个体对 CocUD 的易感性和耐受性，但大脑中与 CocUD 相关区域的表观遗传变化及其对基因表达水平的影响仍不明确。而且，以往大部分研究集中于临床前实验，针对人类死后脑组织的研究较少，且缺乏细胞类型特异性和整合多组学分析。因此，开展深入研究以揭示 CocUD 的分子机制迫在眉睫。

来自德国海德堡大学等研究机构的研究人员，为解决上述问题，开展了一项针对 CocUD 的研究。他们对 6 名 CocUD 患者和 8 名对照者的死后尾状核组织进行了单细胞核多组学分析，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员开展此项研究时，主要运用了以下关键技术方法：首先获取人类死后尾状核脑组织样本，接着利用 10x Genomics Chromium Next GEM Single Cell Multiome ATAC + Gene Expression 试剂盒进行单细胞核 RNA 测序（RNA-seq）和转座酶可及染色质测序（ATAC-seq），之后使用多种生物信息学工具对数据进行处理和分析。

研究结果如下：

细胞类型鉴定：研究人员从 14 个人的尾状核中分离出细胞核，通过测序和分析，共鉴定出 13 种细胞类型，包括 D1 和 D2 中等棘状神经元（MSNs）、星形胶质细胞、小胶质细胞等。不同样本间细胞类型的分布相似12。
差异表达和可及性分析：通过比较 CocUD 患者和对照者，研究人员识别出 1485 个差异表达（DE）基因和 10,342 个差异可及（DA）峰。在星形胶质细胞和 MSNs 中，基因表达水平的失调最为明显。基因本体（GO）富集分析显示，DE 基因在核糖体途径、呼吸链相关途径以及神经元投射相关途径中显著富集。DA 峰在启动子和外显子区域的分布比基因组背景更为广泛34。
CocUD 特异性峰关联基因分析：研究人员将峰与基因表达关联起来，发现 CocUD 特异性峰关联基因在核糖体和突触途径中显著富集，这表明染色质可及性模式的改变可能是导致 CocUD 中核糖体和突触基因表达变化的重要因素56。
转录因子家族基序富集分析：研究发现，CocUD 中开放染色质状态的改变影响了转录因子基序的可及性，进而影响转录因子介导的下游基因表达。例如，在 D1 和 D2 - MSNs 中，立即早期基因（如 JUND 和 FOS）的转录因子基序活性下调，而在星形胶质细胞、少突胶质细胞和少突胶质前体细胞（OPC）中则上调。此外，ZEB1、RFX3 等转录因子的表达和基序可及性在 CocUD 中也发生了显著变化78。
基因调控网络分析：构建 MSN 特异性基因调控网络（GRN）后，研究人员发现了两个主要的子簇。一个子簇由立即早期基因组成，另一个子簇包含 ZEB1 和 FOXP2 等转录因子，它们主要作用于钙、钾和离子通道相关基因。ZEB1 在 CocUD 患者的 MSNs 中具有激活下游基因表达的作用，而在对照个体中则表现为抑制作用910。
可药性分析：通过对 GRN 中高度连接的靶基因进行可药性分析，研究人员发现磷酸二酯酶（PDEs），如 PDE10A 和 PDE7B，可能是治疗 CocUD 的潜在药物靶点11。
验证实验：研究人员在大鼠的 3 - crit 模型（一种模拟 CocUD 的模型）中对 PDE10A 和 CACNA1C 等基因进行了验证。结果显示，PDE10A 和 CACNA1C 在 0 - crit 动物（未成瘾）与对照组相比存在差异表达，但在 3 - crit 动物（成瘾）中差异不显著，这表明这些基因的变化可能与长期可卡因暴露有关1213。
多组学因子分析：多组学因子分析（MOFA）发现了与 CocUD 相关的性别特异性因子，该因子在代谢途径中显著富集，表明 CocUD 可能存在性别特异性影响。此外，性别分层的 DE 分析显示，在星形胶质细胞、小胶质细胞和 D1/D2 - MSNs 中，CocUD 相关的转录变化在性别间具有较高的一致性514。
GWAS 富集分析：利用单细胞疾病相关性评分（scDRS）进行的全基因组关联研究（GWAS）富集分析显示，在微胶质细胞、少突胶质细胞和胆碱能神经元簇中，未观察到 CocUD 相关的显著富集模式，这可能与目前 GWAS 样本量较小有关1516。

研究结论和讨论部分表明，该研究揭示了 CocUD 中细胞类型特异性的基因表达和染色质状态改变，直接将转录因子活性与下游基因表达联系起来。研究突出了突触途径、核糖体活性和代谢途径在 CocUD 中的变化，并且这些过程在不同细胞类型中存在特异性失调。同时，研究还确定了 ZEB1 等关键转录因子和 PDE10A 等潜在药物靶点，为未来 CocUD 的研究和治疗提供了重要方向。然而，研究也存在一定局限性，如样本量较小，可能影响研究结果的普遍性，未来需要更大规模的研究来进一步验证和深入探索。但总体而言，这项研究为成瘾研究领域提供了新的视角和关键信息，具有重要的科学意义和潜在的临床应用价值。