Nature | 湯富酬研究組與合作者首次繪制人腦前額葉發(fā)育的單細胞圖譜并揭示神經元的分化成熟機制
大腦是人體中最復雜的器官，其復雜性遠遠超出了我們當前的認識能力。其中，人腦前額葉皮層是人類大腦高級功能的關鍵組成部分，參與記憶形成、短期儲存以及調取功能、語言功能、情緒的調節(jié)等功能。要理解人腦是怎樣工作的，一個必備的基礎是詳細精準的人類大腦“細胞類型圖譜”。至今我們對于人腦的前額葉到底由哪些細胞組成，這些細胞又是如何在胚胎發(fā)育過程中產生的”這些關鍵的腦科學問題知之甚少。
2018年3月14日，北京大學北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、生命科學學院生物動態(tài)光學成像中心湯富酬研究組與中國科學院生物物理研究所王曉群課題組，攜手北京大學第三醫(yī)院喬杰研究組和首都醫(yī)科大學附屬安貞醫(yī)院張軍課題組聯合在國際著名學術期刊《Nature》上在線發(fā)表了題為“Single-cell RNA-Seq surveys a developmental landscape of the human prefrontal cortex”的文章。該研究利用單細胞轉錄組測序手段，繪制了人腦前額葉胚胎發(fā)育過程的單細胞轉錄組圖譜，解析了人類胚胎大腦前額葉發(fā)育的細胞類型多樣性及不同細胞類型之間的發(fā)育關系，揭示了神經元產生和環(huán)路形成的分子調控機制，并對其中關鍵的細胞類型進行了系統的功能研究,為繪制最終完整的人腦細胞圖譜，奠定了重要的基礎。
人腦前額葉細胞發(fā)育圖示
這項研究發(fā)現，在動態(tài)發(fā)育的人類胚胎前額葉皮層中，主要由神經干細胞、興奮性神經元、抑制性神經元、星型膠質細胞、少突膠質細胞、小膠質細胞等六大類細胞組成。這六大類細胞可以進一步地劃分為35個獨立的細胞亞型，存在各自關鍵的基因表達特征及重要生物學含義，為未來對這些細胞類型的后續(xù)研究提供了高精度無偏的分子圖譜。該研究利用擬時間等算法重構了這些神經細胞類型之間的發(fā)育譜系關系，發(fā)現在前額葉皮層中的神經干細胞是一個具有高度復雜的異質性的功能細胞群體，在不同的胚胎發(fā)育階段分別分化成神經元細胞、星型膠質細胞和少突膠質細胞。通過更深入的功能分析，研究人員發(fā)現了與神經干細胞對稱分裂、神經元發(fā)生、膠質細胞發(fā)生這三個重要神經發(fā)育事件密切相關的一系列關鍵基因表達特征，并進行了深入、系統的實驗驗證。
在人類神經干細胞的研究中，雖然近些年來主要研究集中在RG細胞或oRG細胞上，但是中間前體細胞IPC對于神經發(fā)生、特別是靈長類動物的神經發(fā)生同樣起著重要的作用。通過系統的數據分析和多層次的實驗驗證，研究人員提出IPC的產生具有兩個關鍵爆發(fā)期，一個是在胚胎發(fā)育10周左右，這些IPC主要由RG大量產生，而另一個峰值則發(fā)生在胚胎發(fā)育16周左右，這些IPC由oRG大量產生。正是通過IPC的這兩個爆發(fā)期的形成，數量龐大的神經元才能在短暫的大腦皮層發(fā)育時期內快速生成，并形成了結構復雜、功能豐富的前額葉皮層。
前額葉皮層神經元產生的兩個關鍵爆發(fā)期
在前額葉皮層中起著尤為關鍵作用的是眾多的神經元細胞，在過去的認識中，我們只知道絕大部分的新生神經元在人類胎兒出生前已經開始分化和遷移，但對這些關鍵的神經發(fā)育事件的具體發(fā)生時間卻知之甚少。研究人員通過對神經元單細胞轉錄組數據的系統分析和深度挖掘，首次揭示了在人類大腦前額葉皮層發(fā)育過程中興奮性神經元生成、遷移和成熟的三個關鍵階段：（一）8-12周神經干細胞大量增殖階段；（二）13-16周神經干細胞分化并大量產生新生神經元同時伴隨著新生神經元的遷移階段；（三）19-26周，神經元開始逐漸成熟，表達關鍵功能蛋白并初步形成有功能的神經網絡的階段。神經元細胞形成具有功能的神經網絡的過程是大腦發(fā)育的一個非常重要的階段，王曉群課題組利用電生理等手段對人類圍產期26周的前額葉皮層進行了深入的功能研究，發(fā)現在前額葉皮層中很多神經元已經具備了正常發(fā)放鈉鉀電流的能力，在深層腦區(qū)的神經元更是具備了發(fā)放EPSC和IPSC等功能。
人類前額葉皮層細胞生成及分化、功能產生的發(fā)育時間
另外，該研究也對于腦發(fā)育領域內一直存在分歧的問題進行了探索。例如，對于抑制性神經元是否能在皮層中原位產生的問題過去一直是眾說紛紜，一種觀點認為皮層的抑制性神經元只來源于位于大腦腹側的神經節(jié)隆起區(qū)域（ganglionic eminence），并進而遷移到皮層；而另一種觀點則認為有少量的抑制性神經元可能是皮層自身原位產生的。為了解開這個謎題，研究人員通過單細胞轉錄組測序和免疫染色等技術手段，發(fā)現在早期的前額葉皮層中已經存在少量的抑制性神經元的前體細胞，但這部分的前體細胞大多數處于細胞周期的靜息期，很可能暫時并不具備分裂生成神經元的活性。同時，轉錄組數據分析也表明，前額葉皮層中興奮性神經元的成熟要早于抑制性神經元。
前額葉皮層的細胞組成是其形成神經網絡、執(zhí)行復雜、豐富功能的生物學基礎，該項研究通過高精度的單細胞轉錄組測序、結合系統的生物信息學分析和深度數據挖掘，對人類前額葉皮層發(fā)育的細胞和分子機制進行了深入、精準的探索和分析，為解答前額葉皮層如何參與“思考和思想形成”這一關鍵問題的后續(xù)研究提供了高精度的細胞圖譜，是前額葉皮層發(fā)育研究史上的重要突破和重大進展。
生科院15級研究生張書、博士后范小英與中科院生物物理所14級博士生鐘穗娟，副研究員吳倩以及北醫(yī)三院閆麗盈博士為本文共同第一作者，王曉群教授、喬杰教授、湯富酬教授及張軍教授為共同通訊作者。此項工作得到了國家自然科學基金委、科技部和未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心的的支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/nature25980
湯富酬:
北京大學生命科學學院生物動態(tài)光學成像中心，教授；北大-清華生命科學聯合中心，北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心，研究員。
實驗室研究領域:
具有自我更新能力和分化潛能的干細胞是哺乳動物胚胎發(fā)育過程中以及成體中的關鍵類型的細胞，對各種干細胞進行深入研究是理解哺乳動物發(fā)育、生長機制的關鍵，也是將干細胞應用于臨床再生醫(yī)學、治療人類疾病的前提。本實驗室主要圍繞人類早期胚胎發(fā)育研究多能干細胞的自我更新和多能性調控的分子機理，特別是表觀遺傳學調控機理，以及相關的早期生殖細胞發(fā)育過程中的表觀遺傳學重編程機理。利用我們發(fā)展的單細胞功能基因組學分析技術（單細胞轉錄組測序技術、單細胞 DNA甲基化組測序技術、單細胞染色質狀態(tài)組測序技術、單細胞多組學平行測序技術等），以及基因編輯技術、染色質免疫共沉淀-高通量測序技術、小鼠胚胎顯微操作技術、以及人類胚胎干細胞體外定向分化等技術在單細胞和單堿基分辨率深入分析人類早期胚胎、生殖系細胞、以及多能性干細胞中基因表達網絡的表觀遺傳學調控機理。
版權與免責聲明：本網頁的內容由收集互聯網上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點或證實其真實性，也不構成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權負責。如涉及侵權，請聯系我們及時修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com