阿尔兹海默症的遗传风险主要来源于基因组非编码区，也被大家形容为“暗物质区域”， 其遗传和基因调控机制尚不明晰。如何揭开基因组暗物质区的神秘面纱，为阿尔兹海默症的分子诊断和治疗提供生物学基础？威尼斯电子游戏大厅研究员熊旭深利用单细胞多组学为你揭秘。

阿尔兹海默症是一种神经退行性疾病，会导致脑萎缩和大量的神经细胞死亡，致使患者记忆、行为和社会技能的严重退化，并最终直接或者间接导致患者死亡。除了环境、生活方式、年龄等因素外，遗传是阿尔兹海默症的一个重要风险因素。尽管GWAS已经揭示了超过40个与阿尔兹海默症相关的遗传位点，但是由于超过90%的风险位点位于非编码区，致使研究人员难以精准定位阿尔兹海默症的致病位点以及解析其发挥作用的分子机制。

2019年，Nature杂志发表了第一个阿尔兹海默症病人的单细胞转录组研究，揭开了该神经退行性疾病的单细胞组学研究的序幕。但是，仅利用转录组这单一层次的信息难以系统性地解析在阿尔兹海默症发病过程中的顺式调控元件、反式调控转录因子、表观遗传与基因表达的调控网络、以及阿尔兹海默症GWAS风险位点与基因之间的因果联系及调控机制。这一系列问题，需要我们在表观基因组和转录组的多组学水平上进行整合，并结合已有的阿尔兹海默症GWAS研究进行回答。

2023年9月28日，威尼斯电子游戏大厅熊旭深在Cell上发表了题为“Epigenomic dissection of Alzheimer's disease pinpoints causal variants and reveals epigenome erosion”的文章。该研究系统性阐述了阿尔兹海默症在单细胞水平上的调控通路，揭示了该疾病发展过程中的表观基因组和转录组动态变化，并且精细定位了阿尔兹海默症的遗传致病位点及其发挥作用的分子机制。此外，该研究首次报道了在晚期阿尔兹海默症病人大脑中的表观基因组信息全局丢失现象（epigenome erosion）与神经元等细胞凋亡过程中的潜在关系。

研究人员收集了来源于92个不同阿尔兹海默症阶段的个体的大脑皮质组织，其中包括29名早期、15名晚期的阿尔兹海默症患者以及48名对照。在进行单细胞图谱的构建后，一共获得了414k个单细胞核（snRNA-seq）和437k个单细胞核（snATAC-seq）的细胞。为了整合不同模态的单细胞数据，研究人员开发了一个基于机器学习的单细胞多组学数据整合模型，该模型可实现细胞多组学整合和启动子-增强子调控网络构建这两个过程的迭代优化。

利用整合后的snRNA-seq的细胞类型对snATAC-seq的细胞进行高解析度的注释，研究人员一共注释了7种主要的细胞类型，包括兴奋性神经元、抑制性神经元、星形胶质细胞、少突细胞、少突前体细胞、小胶质细胞、血管类细胞，并进一步细分至39种神经细胞亚型和22种胶质细胞亚型。利用高解析度的表观基因组图谱，研究人员进行了表观调控区域的鉴定，并且在不同细胞类型种共发现了44个关键的转录因子，其中包括NEUROD2/D6, MEF2C，STAT4，SOX10和SPI1/B等。

为了探究不同细胞类型在介导阿尔兹海默症遗传风险过程中的作用，研究人员利用了LD score regression的方法计算了7个主要细胞类型和61个细胞亚型的表观遗传学区域富集阿尔兹海默症GWAS风险位点的情况。有意思的是，尽管阿尔兹海默症是神经退行性疾病，但小胶质细胞这一免疫细胞类型的调控区域主要覆盖了疾病的遗传风险。研究人员进一步分析发现RUNX1和SPI1等转录因子在介导小胶质细胞在阿尔兹海默症发病过程的作用至关重要。

随后，研究人员利用构建的启动子-增强子调控网络，并结合已发表的多种不同的证据，包括数量遗传性状、染色质互作等，精细定位了多个具有潜在因果关系的阿尔兹海默症的致病位点及基因，包括PICALM, SCIMP, JAZF1，KANSL1-AS1, ACE和CARF等。此外，研究人员还进行了表观调控区域的数量遗传性状的鉴定（ATAC-QTL），并结合基因表达数量遗传性状（eQTL），在细胞类型的解析度上对阿尔兹海默症进行了多重共定位。

最后，研究人员观察到晚期阿尔兹海默症大脑的snATAC-seq数据出现了转录起始位点富集下降的现象，并且在排除实验干扰因素后发现该现象与疾病的进程密切相关。研究人员随即对snATAC-seq进行了重分析并发现晚期阿尔兹海默症病人的大脑中大量且特异地富集了“去身份化”的细胞（deidentified cell），而在早期的阿尔兹海默症病人中没有该现象的发生。

研究人员进一步探究了去身份化细胞的表观基因组性质，发现这一类细胞与细胞衰老过程中报道的表观基因组信息全局丢失现象（epigenome erosion）非常吻合。具体而言，这一类细胞出现了染色质松散、异染色质开放、活跃区域关闭等表观基因组整体失调的现象。研究人员随后进一步通过Lamin B1的染色实验、3D基因组结构分区的破坏、H3K27ac组蛋白修饰的改变等多个证据证明epigenome erosion在晚期阿尔兹海默症病人中特异发生。

综上，该研究系统性地揭示了阿尔兹海默症的表观基因组调控机制，并且报道了多个关键的转录因子和基因，为该疾病的分子诊断和治疗提供了生物学依据和潜在的靶点。

威尼斯电子游戏大厅研究员熊旭深（原麻省理工计算机系Manolis Kellis课题组博士后）为该论文的第一作者。该论文一部分工作在威尼斯电子游戏大厅完成。