從解剖學(xué)角度來看，大腦可以被細(xì)分為多個特定區(qū)域，包括新皮層(neocortex)。大腦皮層是高級認(rèn)知的中樞，是人類進(jìn)化過程中大腦中擴(kuò)張和多樣化最多的區(qū)域。早期的大腦分區(qū)和皮層分區(qū)是由形態(tài)發(fā)生梯度(morphogenetic gradient)引導(dǎo)建立的，但隨著發(fā)育進(jìn)程的展開，這些早期模式如何產(chǎn)生更加精細(xì)更加離散的空間差異目前還不是很清楚。大腦皮層的發(fā)育過程已被研究了一個多世紀(jì)，歷史上科學(xué)家通過每次只觀察一種細(xì)胞類型，研究少量的基因，隨后逐步拼接整個發(fā)育事件來進(jìn)行探索。但我們必須意識到，大腦在同一時間并不是只產(chǎn)生一種細(xì)胞類型，而是數(shù)百種細(xì)胞類型一起發(fā)生發(fā)展，就像交響樂一樣美妙且復(fù)雜。隨著單細(xì)胞和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，我們已經(jīng)能夠去探究神經(jīng)發(fā)育這支交響樂中所隱藏的規(guī)律。
2021年10月6日，來自美國加州大學(xué)的Arnold R. Kriegstein團(tuán)隊(duì)在Nature雜志上在線發(fā)表了題為An atlas of cortical arealization identifies dynamic molecular signatures的研究論文。該研究利用單細(xì)胞測序研究了神經(jīng)發(fā)育和早期膠質(zhì)生成階段10個主要的腦區(qū)和6個新皮層區(qū)域，揭示了不同皮層區(qū)域不同細(xì)胞縱向發(fā)育的分子圖譜。
繪制人類大腦發(fā)育圖譜為了描繪大腦發(fā)育過程中不同腦區(qū)及皮質(zhì)區(qū)域的細(xì)胞多樣性，作者收集了妊娠中期(懷孕3-6個月，神經(jīng)發(fā)育高峰期)的大腦組織，隨后進(jìn)行為分割(大腦細(xì)分后的區(qū)域稱為“regions”，皮層細(xì)分后的區(qū)域稱為“areas”)和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄測序(圖1)。作者從13個個體中拿到了10個腦區(qū)(主要是前腦、中腦和后腦)樣本及6個新皮層區(qū)域樣本(prefrontal cortex(PFC), motor, somatosensory, parietal, temporal 和primary visual(V1)皮層)，最終獲得了698,820個高質(zhì)量的單細(xì)胞數(shù)據(jù)。通過UMPA(uniform manifold approximation and projection，新的降維技術(shù)，用于數(shù)據(jù)可視化和探索)分析，作者發(fā)現(xiàn)了預(yù)期的細(xì)胞類群(包括excitatory neurons，intermediate progenitor cells(IPCs)，radial glia等)。數(shù)據(jù)表明，在整個大腦中，細(xì)胞類型是產(chǎn)生區(qū)域分化隔離的主要因素。區(qū)域特定基因分析顯示，一些區(qū)域特異性基因存在于同一區(qū)域中的多個細(xì)胞類型中，說明某些區(qū)域性表達(dá)基因特征在細(xì)胞類型中具有高度滲透性。
圖1. 測序樣本收集示意圖
新皮質(zhì)中的細(xì)胞類型已有研究表明新皮質(zhì)包括幾十個專門從事認(rèn)知過程的功能區(qū)。V1和PFC中的神經(jīng)元在出生后就完全不同，而其他的細(xì)胞類型并沒有展示出明顯的區(qū)域特異性差異。為了進(jìn)一步擴(kuò)展已有的研究，作者對來自于特定皮層區(qū)域的單細(xì)胞進(jìn)行測序分析，獲得了387,141個高質(zhì)量的單細(xì)胞數(shù)據(jù)。通過分析，作者發(fā)現(xiàn)了預(yù)期的細(xì)胞類型，包括Cajal-Retzius neurons, dividing cells, excitatory neurons等。隨后，按細(xì)胞類型進(jìn)行分層聚類得到了138個新皮質(zhì)細(xì)胞群，其中104個細(xì)胞群是由來自多個皮層區(qū)域的細(xì)胞組成的。
動態(tài)區(qū)域性基因特征為了探究新皮質(zhì)發(fā)育過程中的細(xì)胞區(qū)域性差異，作者在皮質(zhì)不同區(qū)域的興奮性譜系中(radial glial (RG), IPCs和excitatory neurons)尋找每個細(xì)胞類型中的差異表達(dá)基因，同時通過檢測已知的區(qū)域特異性基因的表達(dá)來評估皮質(zhì)區(qū)域劃分的可靠性。作者構(gòu)建了星座圖來探索不同皮質(zhì)區(qū)域細(xì)胞類型之間的關(guān)系：RG節(jié)點(diǎn)主要在同細(xì)胞類型之間相互連接;IPC與興奮神經(jīng)元之間存在相互連接;PFC 和 V1 細(xì)胞類型節(jié)點(diǎn)之間沒有連接，說明這兩個基因表達(dá)模式之間相互排斥。在每一組區(qū)域標(biāo)記基因中，作者鑒定了編碼轉(zhuǎn)錄因子的基因，這些轉(zhuǎn)錄因子在特定區(qū)域的細(xì)胞中大量富集。其中包括一些在區(qū)域化過程中功能已知的轉(zhuǎn)錄因子，例如NR2F1和BCL11A，這兩個基因都與神經(jīng)發(fā)育疾病相關(guān)。作者還發(fā)現(xiàn)一些與皮層區(qū)域化不相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子：在V1中，包括NF1A, NF1B和NF1X，它們是大腦發(fā)育的重要調(diào)節(jié)因子，與大頭癥和認(rèn)知障礙有關(guān);ZBTB18, 大腦擴(kuò)張驅(qū)動因子，與神經(jīng)元分化和皮層遷移有關(guān);在PFC中，包括HMGB2和HMGB3，它們在發(fā)育的不同階段在神經(jīng)干細(xì)胞中差異性表達(dá)，是神經(jīng)分化的關(guān)鍵性調(diào)節(jié)因子，但它們在皮層區(qū)域化的過程中的功能未被研究和報(bào)道。
原位雜交驗(yàn)證候選標(biāo)志物上述單細(xì)胞數(shù)據(jù)揭示了人類大腦發(fā)育過程中皮層的6個不同區(qū)域內(nèi)細(xì)胞類型的多樣性和轉(zhuǎn)錄譜。接下來，作者選擇了興奮神經(jīng)元簇的候選標(biāo)記基因進(jìn)行驗(yàn)證，采用單分子熒光原位雜交(single-molecule fluorescent in situ hybridization, (smFISH))量化了20個樣本中(來自4個皮質(zhì)區(qū)域)31個RNA轉(zhuǎn)錄本的表達(dá)情況(圖2)。與之前的報(bào)道一致，神經(jīng)基因SATB2和BCL11B呈現(xiàn)區(qū)域動態(tài)性表達(dá)：他們在frontal區(qū)域共表達(dá)，但在occipital區(qū)域相互排斥。通過分析所有的區(qū)域，作者找到了新的亞細(xì)胞群標(biāo)志物候選基因：NEFL, SERPINI1和NR4A1。這三個基因在PFC, somatosensory, temporal和V1皮層細(xì)胞中的表達(dá)量基本相等，但是它們相對的空間位置發(fā)生巨大改變：NEFL, SERPINI1和NR4A1在PFC中共表達(dá)，但在其他區(qū)域中相互排斥;在somatosensory皮層中，這些標(biāo)記基因主要表達(dá)在上層分子層中。
圖2. 自動化空間RNA轉(zhuǎn)錄檢測流程
綜上所述，該研究對新皮質(zhì)區(qū)域不同細(xì)胞類型的基因表達(dá)特征提供了細(xì)致的理解。作者發(fā)現(xiàn)：(1) 在主要的大腦結(jié)構(gòu)中，區(qū)域特征在不同的細(xì)胞類型中非常普遍;(2) 新皮質(zhì)中的區(qū)域特征非常特殊，受限于單個細(xì)胞類型;(3) 除了細(xì)胞類型特征外，細(xì)胞的發(fā)育階段(即妊娠周)是基因表達(dá)特征組合的有力決定因素。這些發(fā)現(xiàn)表明，區(qū)域特異性基因表達(dá)特征的動態(tài)變化速度非常快，而且是細(xì)胞類型特異性的(圖3)，這與之前的理論似乎不太一致，在以前認(rèn)知中，基因表達(dá)模式通常被認(rèn)為是一旦建立就會持續(xù)存在。通過繪制大腦發(fā)育過程中的基因表達(dá)圖譜，研究人員對大腦皮層是如何形成有了更好的理解，有助于探索大腦皮層是如何在神經(jīng)發(fā)育疾病中受到影響的。
圖3. 發(fā)育過程中皮層區(qū)域化模式圖
原文鏈接:
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03910-8
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