Cell Research | 湯富酬研究組與合作者首次繪制人類胚胎大腦全皮層轉(zhuǎn)錄組圖譜并揭示腦區(qū)發(fā)育異質(zhì)性
2018年6月4日，北京大學(xué)北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、生命科學(xué)學(xué)院生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心湯富酬課題組攜手中國科學(xué)院生物物理研究所王曉群課題組、北京大學(xué)第三醫(yī)院喬杰課題組聯(lián)合在學(xué)術(shù)期刊《Cell Research》上在線發(fā)表了題為“Spatial transcriptomic survey of human embryonic cerebral cortex by single-cell RNA-seq analysis”的文章。該研究利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，繪制了人類胚胎中晚期（22-23周齡）大腦全皮層及腦干共22個(gè)腦區(qū)的高精度單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，系統(tǒng)解析了全皮層細(xì)胞類型多樣性，揭示了不同腦區(qū)細(xì)胞組成的差異性以及同種類型神經(jīng)元在不同腦區(qū)的基因差異表達(dá)特點(diǎn)，闡明了胚胎期不同腦區(qū)發(fā)育成熟的異步性特征。這是繼2018年3月14日該合作團(tuán)隊(duì)在《Nature》發(fā)表對人類大腦前額葉發(fā)育調(diào)控工作之后在空間維度上對人類大腦發(fā)育的進(jìn)一步系統(tǒng)分析。通過與其他課題組已發(fā)表的人類成年大腦神經(jīng)元單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的比較分析，確定了胚胎期大腦神經(jīng)元細(xì)胞基因表達(dá)的關(guān)鍵特征。此外，該研究還系統(tǒng)分析了已知的自閉癥風(fēng)險(xiǎn)基因在各個(gè)腦區(qū)興奮性神經(jīng)元中的表達(dá)特點(diǎn)和區(qū)域特異性，推測了胚胎發(fā)育時(shí)期對自閉癥發(fā)生最密切相關(guān)的腦區(qū)以及潛在的風(fēng)險(xiǎn)基因，為研究神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生機(jī)理提供了參考。
人類胚胎期大腦全皮層示意圖
該研究發(fā)現(xiàn)人類大腦皮層的區(qū)域差異性首先體現(xiàn)在各種類型細(xì)胞的組成比例不同，特別是神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞組成比例的顯著不同上。在額葉區(qū)域以興奮性神經(jīng)元為主而在顳葉區(qū)域以抑制性神經(jīng)元為主，皮層下側(cè)的腦區(qū)則主要富集神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，這為不同腦區(qū)神經(jīng)信號網(wǎng)絡(luò)的差異提供了細(xì)胞基礎(chǔ)。興奮性神經(jīng)元與起源自原始神經(jīng)節(jié)的抑制性神經(jīng)元在發(fā)育調(diào)控上有著截然不同的特征，前者是一個(gè)連續(xù)成熟的異步分化發(fā)生過程，而后者則在發(fā)育上比較同步，同一發(fā)育時(shí)期大腦皮層中不同抑制性神經(jīng)元的成熟度比較一致，異質(zhì)性很小。通過對興奮性神經(jīng)元細(xì)胞發(fā)育過程的深入分析，鑒定了調(diào)控大腦皮層神經(jīng)元成熟的關(guān)鍵候選轉(zhuǎn)錄因子，為體外神經(jīng)元定向誘導(dǎo)分化提供了參考。
為了全面解析人類胚胎期神經(jīng)元細(xì)胞與成體神經(jīng)元細(xì)胞的基因表達(dá)差異，該研究系統(tǒng)分析比較了多個(gè)已經(jīng)發(fā)表的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)大腦皮層中的興奮性神經(jīng)元在胚胎期與成年期的基因表達(dá)差異較小，而抑制性神經(jīng)元在胚胎期與成年期之間差異很大，說明抑制性神經(jīng)元在胚胎發(fā)育晚期及出生后發(fā)生了更為劇烈的基因表達(dá)變化。即使胚胎-成體差異程度存在不同，這兩種神經(jīng)元在所研究的胚胎階段都還不具備成體大腦皮層神經(jīng)元的分層分布特征。當(dāng)把所分析的所有類型的神經(jīng)元細(xì)胞做聚類分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)胚胎-成體階段間的基因表達(dá)差異遠(yuǎn)大于同一發(fā)育階段不同類型神經(jīng)元細(xì)胞之間的基因表達(dá)差異，并且胚胎期興奮性神經(jīng)元與抑制性神經(jīng)元之間的基因表達(dá)差異大于成年期這二者之間的差異。
興奮性神經(jīng)元分化成熟過程的調(diào)控、大腦區(qū)域成熟差異、以及胚胎期與與成體神經(jīng)元的比較分析
以往的不同腦區(qū)基因表達(dá)差異的相關(guān)研究，通常是基于大量細(xì)胞平均分析的結(jié)果來研究腦區(qū)差異表達(dá)基因，然而這種方式無法確定這樣的腦區(qū)特異性分子標(biāo)記具體是哪種細(xì)胞表達(dá)的，以及這樣的區(qū)域差異是否僅僅由于不同腦區(qū)相同細(xì)胞類型的組成比例不同導(dǎo)致的。而該研究在單細(xì)胞分辨率上鑒定出的不同神經(jīng)元細(xì)胞類型中比較了不同腦區(qū)的差異表達(dá)基因，發(fā)現(xiàn)了未成熟興奮性神經(jīng)元、成熟興奮性神經(jīng)元、以及抑制性神經(jīng)元在不同腦區(qū)的基因表達(dá)差異，這些區(qū)域特異性表達(dá)的基因中很多與已知的神經(jīng)系統(tǒng)疾病或者大腦區(qū)域化功能發(fā)育基因密切相關(guān)，進(jìn)一步揭示了神經(jīng)系統(tǒng)功能形成的腦區(qū)特異性調(diào)控機(jī)制。原有的研究發(fā)現(xiàn)自閉癥的發(fā)生與妊娠中期的投射神經(jīng)元發(fā)育關(guān)系密切，該研究在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提示已知的自閉癥風(fēng)險(xiǎn)基因與較為成熟的興奮性神經(jīng)元特異性表達(dá)基因的相關(guān)性更高，而且這些自閉癥風(fēng)險(xiǎn)基因與大腦更靠近背側(cè)的皮層區(qū)域的發(fā)育更為相關(guān)，提示這些背側(cè)皮層區(qū)域的神經(jīng)元發(fā)育異常可能更容易引發(fā)自閉癥。
區(qū)域細(xì)胞組成差異，區(qū)域特異基因驗(yàn)證及自閉癥風(fēng)險(xiǎn)基因互作網(wǎng)絡(luò)
人類大腦皮層包含了數(shù)十億個(gè)神經(jīng)元。近年來利用單細(xì)胞測序手段研究神經(jīng)系統(tǒng)個(gè)別腦區(qū)多樣性的工作已經(jīng)廣泛開展，但是對人類胚胎期的大腦全皮層的各個(gè)主要區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)比較分析的研究此前尚未見報(bào)導(dǎo)。大腦皮層不同區(qū)域的神經(jīng)元細(xì)胞存在明顯的功能差異，比如聽覺神經(jīng)主要分布在顳葉區(qū)域，枕葉區(qū)域是視覺信號傳輸?shù)闹饕獏^(qū)域。這些區(qū)域功能差異必然與腦區(qū)的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞類型組成密切相關(guān)，因而研究發(fā)育過程中不同腦區(qū)的基因表達(dá)差異對于認(rèn)識大腦區(qū)域特異性功能的形成具有重要參考價(jià)值。該項(xiàng)研究通過高精度的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序，結(jié)合系統(tǒng)的生物信息學(xué)分析和深度數(shù)據(jù)挖掘，對全皮層的細(xì)胞類型和基因表達(dá)差異進(jìn)行了深入、精準(zhǔn)的探索和分析，為解答“全皮層區(qū)域功能形成的調(diào)控”這一關(guān)鍵問題的后續(xù)研究提供了高精度的單細(xì)胞圖譜，也為后續(xù)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育研究提供了參考。
北京大學(xué)北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、生命科學(xué)學(xué)院博士后范小英、博士生董驥、中科院生物物理所博士生鐘穗娟，以及北醫(yī)三院博士生魏源為該研究的并列第一作者，湯富酬教授、喬杰教授及王曉群教授為共同通訊作者。該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、生命科學(xué)聯(lián)合中心等的支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41422-018-0053-3
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