Integrative Transcriptomic Analysis: Unveiling the IFN Signature in ALS and Its Pathogenic Mechanisms

肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS），又被称为渐冻症，是一种极为致命的 neurodegenerative disorder。患者的上、下运动神经元会进行性退化，最终导致肌肉萎缩、瘫痪，甚至呼吸衰竭。这种疾病通常在 40 至 60 岁的人群中发病，确诊后的中位生存期仅为三到五年。目前，虽然大约 10% 的 ALS 病例是由遗传基因突变引起的家族性 ALS（familial ALS，fALS），但其余 90% 的散发性 ALS（sporadic ALS，sALS）却病因不明。炎症在 ALS 的发展过程中扮演着关键角色，然而，其具体的炎症信号通路以及相关机制仍未完全明确。这使得寻找有效的治疗靶点和生物标志物成为 ALS 研究领域的迫切需求，也是推动 ALS 治疗进展的关键所在。

为了深入了解 ALS 的发病机制，来自莫纳什大学马来西亚分校（School of Science, Monash University Malaysia）和河南工业大学（School of Biological Engineering, College of Advanced Interdisciplinary Science and Technology, Henan University of Technology）的研究人员 Jen Young Hiew、Yi Shan Lim、Huitao Liu 和 Chen Seng Ng 开展了一项综合性研究。他们的研究成果发表在《Communications Biology》杂志上，为揭示 ALS 的发病机制带来了新的曙光。

研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们通过全面搜索公共数据存储库，获取了大量与 ALS 相关的 RNA 测序（RNA-seq）数据集，其中包括小鼠模型、人类诱导多能干细胞（human induced-pluripotent stem cells，hiPSCs）以及 ALS 患者的死后脊髓组织样本数据。接着，利用 GALAXY 平台对这些数据进行标准化处理和质量控制，以确保数据的可靠性。之后，运用 edgeR 软件包进行差异表达分析，筛选出不同样本间差异表达的基因，并通过基因集富集分析（Gene Set Enrichment Analysis，GSEA）确定这些基因所富集的功能类别。此外，还对小鼠进行了单细胞 RNA 测序（single-nucleus RNA-seq，snRNA-seq），以深入探究不同细胞类型在 ALS 发病过程中的作用。

研究结果主要包括以下几个方面：

基因表达动态变化：研究人员重新分析了时间序列表达研究数据，构建了动态网络，成功识别出在疾病不同阶段多个生物学过程中差异表达的基因（differentially expressed genes，DEGs）。这些基因参与了胆固醇生物合成、细胞周期、血管生成、炎症反应等多个关键过程，它们的动态变化与 ALS 的疾病进展密切相关。
炎症和 ISGs 免疫特征：在 ALS 发病前期，研究人员就观察到了 I 型和 II 型干扰素刺激基因（Interferon-stimulating genes，ISGs）的诱导表达。随着疾病的进展，ISGs 在 G93A 小鼠中的比例显著增加，且主要由 I 型和 II 型干扰素共同调节。在疾病发作时，ISGs 的比例更是大幅上升，同时炎症反应和相关趋化因子也被显著激活。这表明炎症和 ISGs 免疫反应在 ALS 发病早期就已启动，并在疾病进展中发挥着重要作用。
潜在生物标志物：通过分析不同阶段的基因表达变化，研究人员发现了 5 个基因（CCN1、SPRR1A、CCL9、TIMP1 和 ATF3）在疾病发作前就开始显著上调，并在疾病过程中维持高表达水平。这些基因在不同的 SOD1 突变模型中表现一致，因此被认为是潜在的与 ALS 发病相关的分子标志物，对疾病的早期诊断具有重要意义。
细胞类型特异性变化：利用 snRNA-seq 技术，研究人员对 G93A 小鼠疾病发作时的脊髓组织进行分析，发现与野生型相比，G93A 突变体中神经元和星形胶质细胞的比例显著减少，而小胶质细胞和周细胞的比例有所增加。进一步研究发现，血管内皮细胞在 ISGs 的上调中表现最为显著，这表明血管内皮细胞在协调 IFN-I 和 -II 反应中起着重要作用，可能是 ALS 发病过程中的一个关键细胞类型。
人与小鼠模型差异：对比人类和小鼠的 ALS 模型，研究人员发现两者在基因表达上既有相似之处，也存在显著差异。虽然都存在 IFN 相关的免疫特征，但在具体的 IFN 类型和 ISGs 调节上有所不同。在人类 ALS 中，IFN-II 是 ISGs 表达的主要驱动因素，而小鼠模型中则以 IFN-I 为主。此外，两者在基因表达谱上的重叠较少，这提示在将小鼠研究成果转化到人类 ALS 治疗时需要谨慎考虑。
STING-TBK1 轴的作用：研究人员通过实验证实，STING-TBK1 轴在 SOD1 突变诱导的 IFN-II 反应中起着至关重要的作用。抑制 STING 或 TBK1 的表达会显著降低 IFN-II 特异性 ISGs 的诱导，这表明该轴可能是 ALS 治疗的一个潜在重要靶点。

研究结论和讨论部分指出，本研究揭示了 ALS 模型和患者中存在的保守 ISGs 特征，突出了先天免疫激活在 ALS 发病机制中的潜在作用。IFN-I 和 IFN-II 途径的持续激活可能是 ALS 进展的重要驱动因素，同时也具有作为生物标志物的潜力。然而，研究也发现了小鼠和人类 ALS 之间存在的关键物种特异性差异，这为将小鼠模型的研究成果转化为人类治疗策略带来了挑战。未来的研究需要进一步明确 IFN-II 信号与疾病进展之间的关系，例如通过培育 IFNGR 基因敲除小鼠与 SOD1 突变小鼠进行杂交实验，直接测试减弱 IFN-II 信号是否能减轻 ALS 相关的神经退行性变。此外，还需要深入研究不同细胞类型在 IFN 信号传导中的具体作用，以及如何利用这些发现开发更有效的治疗方法。总之，这项研究为 ALS 的发病机制提供了新的见解，为未来的研究和治疗开辟了新的方向，有望推动 ALS 治疗领域取得新的突破。