Abstract Glial cells play a crucial role in regulating physiological and pathological functions, such as sensation, infections, acute injuries, and chronic neurodegenerative disorders. Glial cells include astrocytes, microglia, and oligodendrocytes in the central nervous system (CNS) and satellite glial cells (SGCs) in the peripheral nervous system (PNS). Despite the understanding of glial subtypes and functional heterogeneity in animal models achieved by single-cell or single-nucleus RNA sequencing, no research has investigated the transcriptomic profiles of glial cells in the human PNS and spinal cord. Here, we used high-throughput single-nucleus RNA sequencing to map the cellular and molecular heterogeneity of SGCs in the human dorsal root ganglion (DRG) and astrocytes, microglia, and oligodendrocytes in the human spinal cord. To explore the conservation and divergence across species, we compared these human findings with those from mice. Additionally, the expression profiles of risk genes of common DRG and spinal cord diseases in glial cells were compared between humans and mice. As a result, little SGCs heterogeneity was found in both human and mouse DRG. In the human spinal cord, astrocytes, microglia, and oligodendrocytes were respectively divided into six distinct transcriptomic subclusters. In the mouse spinal cord, astrocytes, microglia, and oligodendrocytes were divided into six, five, and six distinct transcriptomic subclusters, respectively. The comparative results revealed substantial heterogeneity in all glial cells between humans and mice. Notably, we also identified transcriptomic heterogeneity in several classical genes and risk genes for neurological disorders across humans and mice. Together, the present data comprehensively profiled glial cell heterogeneity and provides a powerful resource for investigating the cellular basis of glial-related physiological and pathological conditions in peripheral somatosensory system.

Abstract Despite the recognized importance of spinal cord in sensory processing, motor behaviors and/or neural diseases, the underlying neuronal clusters remain elusive. Recently, several studies attempted to define the neuronal types and functional heterogeneity in spinal cord using single cell and/or single-nucleus RNA-sequencing in varied animal models. However, the molecular evidence of neuronal heterogeneity in human spinal cord has not been established yet. Here we sought to classify spinal cord neurons from human donors by high-throughput single-nucleus RNA-sequencing. The functional heterogeneity of identified cell types and signaling pathways that connecting neuronal subtypes were explored. Moreover, we also compared human results with previous single-cell transcriptomic profiles of mouse spinal cord. As a result, we generated the first comprehensive atlas of human spinal cord neurons and defined 18 neuronal clusters. In addition to identification of the new and functionally-distinct neuronal subtypes, our results also provide novel marker genes for previously known neuronal types. The comparation with mouse transcriptomic profiles revealed an overall similarity in the cellular composition of spinal cord between the two species. In summary, these results illustrate the complexity and diversity of neuronal types in human spinal cord and will provide an important resource for future researches to explore the molecular mechanism underlying several spinal cord physiology and diseases.

Abstract Neuropathic pain affects up to 10% of the total population and no specific target is ideal for therapeutic need. The sodium leak channel (NALCN), a voltage-independent cation channel, mediates the background Na + leak conductance and controls neuronal excitability and rhythmic behaviors. Here, we show that increases of NALCN expression and function in dorsal root ganglion (DRG) and dorsal spinal cord contribute to chronic constriction injury (CCI)-induced neuropathic pain in rodents. NALCN current and neuronal excitability in acutely isolated DRG neurons and spinal cord slices of rats were increased after CCI which were decreased to normal levels by NALCN-siRNA. Accordingly, pain-related symptoms were significantly alleviated by NALCN-siRNA-mediated NALCN knockdown and completely reversed by NALCN-shRNA-mediated NALCN knockdown in rats or by conditional NALCN knockout in mice. Our results indicate that increases in NALCN expression and function contribute to CCI-induced neuronal sensitization; therefore, NALCN may be a novel therapeutic target for neuropathic pain.

Abstract Glial cells play crucial roles in regulating physiological and pathological functions, including sensation, the response to infection and acute injury, and chronic neurodegenerative disorders. Glial cells include astrocytes, microglia, and oligodendrocytes in the central nervous system, and satellite glial cells and Schwann cells in the peripheral nervous system. Despite the greater understanding of glial cell types and functional heterogeneity achieved through single-cell and single-nucleus RNA sequencing in animal models, few studies have investigated the transcriptomic profiles of glial cells in the human spinal cord. Here, we used high-throughput single-nucleus RNA sequencing and spatial transcriptomics to map the cellular and molecular heterogeneity of astrocytes, microglia, and oligodendrocytes in the human spinal cord. To explore the conservation and divergence across species, we compared these findings with those from mice. In the human spinal cord, astrocytes, microglia, and oligodendrocytes were each divided into six distinct transcriptomic subclusters. In the mouse spinal cord, astrocytes, microglia, and oligodendrocytes were divided into five, four, and five distinct transcriptomic subclusters, respectively. The comparative results revealed substantial heterogeneity in all glial cell types between humans and mice. Additionally, we detected sex differences in gene expression in human spinal cord glial cells. Specifically, in all astrocyte subtypes, the levels of NEAT1 and CHI3L1 were higher in males than in females, whereas the levels of CST3 were lower in males than in females. In all microglial subtypes, all differentially expressed genes were located on the sex chromosomes. In addition to sex-specific gene differences, the levels of MT-ND4, MT2A, MT-ATP6, MT-CO3, MT-ND2, MT-ND3, and MT-CO2 in all spinal cord oligodendrocyte subtypes were higher in females than in males. Collectively, the present dataset extensively characterizes glial cell heterogeneity and offers a valuable resource for exploring the cellular basis of spinal cord-related illnesses, including chronic pain, amyotrophic lateral sclerosis, and multiple sclerosis.

Abstract Despite the recognized importance of the spinal cord in sensory processing, motor behaviors, and neural diseases, the underlying organization of neuronal clusters and their spatial location remain elusive. Recently, several studies have attempted to define the neuronal types and functional heterogeneity in the spinal cord using single-cell or single-nucleus RNA sequencing in animal models or developing humans. However, molecular evidence of cellular heterogeneity in the adult human spinal cord is limited. Here, we classified spinal cord neurons into 21 subclusters and determined their distribution from nine human donors using single-nucleus RNA sequencing and spatial transcriptomics. Moreover, we compared the human findings with previously published single-nucleus data of the mouse adult spinal cord, which revealed an overall similarity in the neuronal composition of the spinal cord between the two species while simultaneously highlighting some degree of heterogeneity. Additionally, we examined the sex differences in the spinal neuronal subclusters. Several genes, such as SCN10A and HCN1, showed sex differences in motor neurons. Finally, we classified human dorsal root ganglia (DRG) neurons using spatial transcriptomics and explored the putative interactions between DRG and spinal cord neuronal subclusters. In summary, these results illustrate the complexity and diversity of spinal neurons in humans and provide an important resource for future research to explore the molecular mechanisms underlying spinal cord physiology and diseases.