Cell subtype specific roles of glial cells in alzheimer's disease by network-based analysis of single-cell multi-omic data

Abstract

Alzheimer hastalığı (AH) neurodejeneratif bir rahatsızlıktır ve demansın en yaygın sebebidir. Hastalığın oluşmasına ve patolojisine katkı yapan bir çok faktör bulunmaktadır. Son yapılan çalışmalar astrositlerin AH'ye katkılarının yadsınamaz olduğunu ortaya koymuştur. Astrositlerin AH'li beyindeki raporlanan farklı davranışları değerlendirildiğinde, alt tiplerinin olduğu tahmin edilmektedir. Farklı dokulardaki hücre alt-tiplerini karakterize edebilmek amacıyla kapsamlı tek-hücre dizileme verisetleri oluşturulmaktadır. Bu çalışmada, postmortem AH'li hastaların ve sağlıklı kontrollerin beyin prefrontal korteksinden alınan örneklerle elde edilen iki farklı tek-çekirdek transkriptom veriseti yeniden analiz edildi. Bu doğrultuda, AH'deki astrosit alt tiplerinin derinlemesine karakterizasyonunu sağlamak için her iki veri setinde tespit edilen astrositler birleştirildi. Her astrosit alt tipi için anlamlı ifade edilen genler, insan protein-protein-etkileşim ağına haritalandı ve biyolojik olarak ilişkili genlerden oluşan öbeklerin keşfi gerçekleştirildi. Bu çalışmada uygulanan tek çekirdekli veri entegrasyonu ve ağ tabanlı analiz yöntemleri, geleneksel yaklaşımlara kıyasla hastalıkla ilişkili genlerin yakalanmasında daha yüksek hassasiyet göstermiştir. Öbek genleri, gen ontoloji analizlerine tabi tutuldu ve AH'de her alt-tipe özgü değişen biyolojik yolaklar belirlendi. Alttip-2'de yer alan AH astrositlerinin nöroprotektif davranış sergilediği, alttip-3 AH astrositlerinin ise nörotoksik reaktif astrositleri temsil ettiği bulundu. A1 reaktif astrositlerin, AH sırasında alttip-3'e özel artış gösteren MAPK10, MAPT ve TMED10 yoluyla nörofibriler yumak birikimini nasıl artırabileceği de değerlendirildi. Ayrıca aynı dokuya ait tek çekirdekli ATAC-seq verilerin de yeniden analizi gerçekleştirildi ve astrosit alt tipleri bu veriler için de tanımlanarak çoklu omik düzeyinde karşılaştırmalar yapıldı. Astrosit alt tiplerinin AH sırasında epigenetik yeniden programlanmaya maruz kaldığı gösterildi. Ayrıca AH'de hem promotör erişilebilirliğinde hem de gen ifadesinde değişiklikler sergileyen genleri düzenleyebilecek potansiyel transkripsiyon faktörleri de belirlendi. AH patolojisi açısından önemli olduğu bildirilen PTN geninin alttip-1'de ATF3 transkripsiyon faktörü tarafından düzenlenebileceği gösterildi.Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder, and it is the most common cause of dementia. Many different factors contribute to the onset and pathology of the disease. Recent studies have revealed incontrovertible roles of astrocytes in the pathology of AD. Considering the conflicting behaviours of astrocytes in AD brain, they have been proposed to have subtypes. Comprehensive single-cell based datasets have been generated to characterize cell subtypes for different tissues. In this study, two publicly available single-nuclei transcriptome datasets based on post-mortem human brain prefrontal cortex from AD patients and healthy controls were re-analysed. Subsequently, astrocytes from both datasets were integrated to provide in depth characterization of astrocyte subtypes in AD. Differentially expressed genes within each astrocyte subtype were analysed by mapping them onto a human protein-protein-interaction network to discover subnetworks with biologically relevant genes. The single-nuclei data integration and network-based analysis methods implemented in this study showed higher sensitivity in capturing disease related genes compared to traditional approaches. The genes in the discovered subnetworks were subjected to functional enrichment analyses, and subtype-specific altered biological processes were identified in AD. It was found that subtype-2 AD astrocytes exhibited neuroprotective behaviour while subtype-3 AD astrocytes represented neurotoxic reactive astrocytes. A1 reactive astrocytes were shown to have an enhancing role for the neurofibrillary tangle accumulation through MAPK10, MAPT and TMED10, which were uniquely upregulated in subtype-3 during AD. Moreover, snATAC-seq data for the same tissue was re-analysed and astrocytic cells were identified to evaluate astrocyte subtypes at multi-omic level. It was found that astrocyte subtypes underwent epigenetic reprogramming during AD. Potential transcription factors were also identified for the regulation of the genes that exhibited alterations in both promoter accessibility and gene expression in AD. It was found that PTN gene, which was reported to be important for AD pathology, might be regulated by ATF3 transcription factor in subtype-1.