Single Cell Dissection of Cerebrovascular Dysfunction in Parkinson's Disease and Amyotrophic Lateral Sclerosis

帕金森病和肌萎缩侧索硬化症脑血管功能障碍的单细胞解剖

基本信息

项目摘要

Project Summary Parkinson’s disease (PD) and Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) are irreversible and currently incurable neurodegenerative diseases with more than 65,000 new cases in the USA each year. Their core motor symptoms are respectively caused by dysfunction and death of dopaminergic neurons within the substantia nigra and motor neurons in the cortex, brainstem, and spinal cord. However, non-cell-autonomous contributions to disease progression are widely recognized and include cerebrovascular (CV) dysfunction. The CV is formed by several highly specialized cell populations, including brain endothelial cells (BECs), mural cells, fibroblasts, and glia. Given the CV’s critical role in regulating biomolecule transport into and out of the brain, blood flow, and responses to physical or chemical stress, understanding the molecular underpinnings of early CV changes during PD and ALS may be critical to develop disease-modifying treatments. Prior work indicates that CV changes can occur during the progression of PD and ALS, including leakage of the blood-brain barrier (BBB), angiogenesis, dysfunctional efflux activity, dysregulated blood flow, and increased immune cell trafficking. However, findings from brain imaging (MRI) and histological analysis are not inclusive of all CV functions nor able to identify transcriptional regulators, while studies using animal models are not representative of sporadic human disease which accounts for ~90% of PD and ALS cases. In this proposal, I will characterize cerebrovascular dysfunction during sporadic PD and ALS with cell type-specificity and whole genome-resolution from post-mortem tissue, and will benchmark the degree to which this dysfunction is recapitulated by iPSC-derived in vitro models. This work is grounded in recent application of blood-vessel enrichment (BVE) and single nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) approaches to profile gene expression of CV cells, and the development of transcription factor overexpression-based differentiation of BECs from induced pluripotent stem cells (iPSCs). In Aim 1A, I will conduct snRNA-seq on blood vessel enriched substantia nigra from post-mortem PD patients and age-matched healthy controls, and will then validate cell type-specific dysfunction using immunofluorescence and in situ hybridization studies. In Aim 1B, I will differentiate BECs from PD patient iPSCs and age-matched healthy controls and then conduct snRNA-seq to determine how post-mortem hallmarks of dysfunction are reflected in vitro. In Aim 2, I will take a similar approach by conducting snRNA-seq on ALS patients blood vessel enriched motor cortex and iPSC-derived BECs compared to healthy age-matched post-mortem tissue and iPSC controls. By characterizing CV gene expression using cutting-edge single nucleus profiling of PD and ALS post- mortem tissue and iPSC-derived models, this proposal will identity previously unrecognized mechanisms of CV dysfunction and serve as a critical launchpad for future studies to test causality in disease processes and validate therapeutic targets across in vivo and in vitro models.
项目摘要 帕金森氏病(PD)和肌萎缩性侧面硬化症(ALS)是不可逆的,目前无法治愈 每年在美国有65,000例新病例的神经退行性疾病。他们的核心运动症状 分别是由底虫和运动中多巴胺能神经元的功能障碍和死亡引起的 皮质,脑干和脊髓中的神经元。但是,对疾病的非细胞自主贡献 进展得到广泛认可,包括脑血管(CV)功能障碍。简历由几个 高度专业的细胞群,包括脑内皮细胞(BEC),壁画细胞,成纤维细胞和神经胶质。 鉴于简历在将生物分子运输转移到大脑中和流动,血流和反应中的关键作用 对于物理或化学应力,了解PD期间早期CV变化的分子基础 ALS对于开发疾病改良治疗可能至关重要。 先前的工作表明PD和ALS的进展过程中可能发生CV变化,包括泄漏 血脑屏障(BBB),血管生成,功能失调的外排活性,血流失调和增加 免疫细胞贩运。但是,大脑成像(MRI)和组织学分析的发现并不包括 所有简历功能都无法识别转录调节剂,而使用动物模型的研究不是 代表零星的人类疾病,占PD和ALS病例的90%。在这个建议中,我 将表征具有细胞类型特异性的零星PD和ALS期间脑血管功能障碍 全尸体组织的整个基因组分辨率,并将基准以此为基础 IPSC衍生的体外模型概括了功能障碍。这项工作是基于最近的应用 血管富集(BVE)和单核RNA测序(SnRNA-Seq)方法用于谱图基因 CV细胞的表达以及基于转录因子过表达的BEC的发展 来自诱导的多能干细胞(IPSC)。在AIM 1A中,我将在富含血管上进行SNRNA-SEQ 验尸PD患者和年龄匹配的健康对照的底底尼格拉,然后验证细胞 使用免疫荧光和原位杂交研究的类型特异性功能障碍。在AIM 1B中,我会 将BEC与PD患者IPSC和年龄匹配的健康对照区分开,然后进行SNRNA-SEQ至 确定在体外如何反映验尸后标志。在AIM 2中,我将采取类似的方法 通过对ALS患者进行SNRNA-SEQ,富含运动皮层的血管和IPSC衍生的BEC 与健康匹配的年龄匹配后组织和IPSC对照相比。 通过使用PD和ALS的尖端单核分析表征CV基因表达 Mortem组织和IPSC衍生的模型,该提案将确定以前未认可的CV机制 功能障碍并作为未来研究的关键发射台,以测试疾病过程中的偶然性并验证 跨体内和体外模型的治疗靶标。

项目成果

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