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Cell Research | 汤富酬研究组与合作者首次绘制人类胚胎大脑全皮层转录组图谱并揭示脑区发育异质性
日期: 2018-06-05       点击量: 1537

2018年6月4日,北京大学北京未来基因诊断高精尖创新中心、生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬课题组携手中国科学院生物物理研究所王晓群课题组、北京大学第三医院乔杰课题组联合在学术期刊《Cell Research》上在线发表了题为“Spatial transcriptomic survey of human embryonic cerebral cortex by single-cell RNA-seq analysis”的文章。该研究利用单细胞转录组测序技术,绘制了人类胚胎中晚期(22-23周龄)大脑全皮层及脑干共22个脑区的高精度单细胞转录组图谱,系统解析了全皮层细胞类型多样性,揭示了不同脑区细胞组成的差异性以及同种类型神经元在不同脑区的基因差异表达特点,阐明了胚胎期不同脑区发育成熟的异步性特征。这是继2018年3月14日该合作团队在《Nature》发表对人类大脑前额叶发育调控工作之后在空间维度上对人类大脑发育的进一步系统分析。通过与其他课题组已发表的人类成年大脑神经元单细胞转录组数据进行系统的比较分析,确定了胚胎期大脑神经元细胞基因表达的关键特征。此外,该研究还系统分析了已知的自闭症风险基因在各个脑区兴奋性神经元中的表达特点和区域特异性,推测了胚胎发育时期对自闭症发生最密切相关的脑区以及潜在的风险基因,为研究神经系统疾病的发生机理提供了参考。

人类胚胎期大脑全皮层示意图

该研究发现人类大脑皮层的区域差异性首先体现在各种类型细胞的组成比例不同,特别是神经元和胶质细胞组成比例的显著不同上。在额叶区域以兴奋性神经元为主而在颞叶区域以抑制性神经元为主,皮层下侧的脑区则主要富集神经胶质细胞,这为不同脑区神经信号网络的差异提供了细胞基础。兴奋性神经元与起源自原始神经节的抑制性神经元在发育调控上有着截然不同的特征,前者是一个连续成熟的异步分化发生过程,而后者则在发育上比较同步,同一发育时期大脑皮层中不同抑制性神经元的成熟度比较一致,异质性很小。通过对兴奋性神经元细胞发育过程的深入分析,鉴定了调控大脑皮层神经元成熟的关键候选转录因子,为体外神经元定向诱导分化提供了参考。

为了全面解析人类胚胎期神经元细胞与成体神经元细胞的基因表达差异,该研究系统分析比较了多个已经发表的单细胞转录组数据集,发现大脑皮层中的兴奋性神经元在胚胎期与成年期的基因表达差异较小,而抑制性神经元在胚胎期与成年期之间差异很大,说明抑制性神经元在胚胎发育晚期及出生后发生了更为剧烈的基因表达变化。即使胚胎-成体差异程度存在不同,这两种神经元在所研究的胚胎阶段都还不具备成体大脑皮层神经元的分层分布特征。当把所分析的所有类型的神经元细胞做聚类分析时,发现胚胎-成体阶段间的基因表达差异远大于同一发育阶段不同类型神经元细胞之间的基因表达差异,并且胚胎期兴奋性神经元与抑制性神经元之间的基因表达差异大于成年期这二者之间的差异。

兴奋性神经元分化成熟过程的调控、大脑区域成熟差异、以及胚胎期与与成体神经元的比较分析

以往的不同脑区基因表达差异的相关研究,通常是基于大量细胞平均分析的结果来研究脑区差异表达基因,然而这种方式无法确定这样的脑区特异性分子标记具体是哪种细胞表达的,以及这样的区域差异是否仅仅由于不同脑区相同细胞类型的组成比例不同导致的。而该研究在单细胞分辨率上鉴定出的不同神经元细胞类型中比较了不同脑区的差异表达基因,发现了未成熟兴奋性神经元、成熟兴奋性神经元、以及抑制性神经元在不同脑区的基因表达差异,这些区域特异性表达的基因中很多与已知的神经系统疾病或者大脑区域化功能发育基因密切相关,进一步揭示了神经系统功能形成的脑区特异性调控机制。原有的研究发现自闭症的发生与妊娠中期的投射神经元发育关系密切,该研究在此基础上进一步提示已知的自闭症风险基因与较为成熟的兴奋性神经元特异性表达基因的相关性更高,而且这些自闭症风险基因与大脑更靠近背侧的皮层区域的发育更为相关,提示这些背侧皮层区域的神经元发育异常可能更容易引发自闭症。

区域细胞组成差异,区域特异基因验证及自闭症风险基因互作网络

人类大脑皮层包含了数十亿个神经元。近年来利用单细胞测序手段研究神经系统个别脑区多样性的工作已经广泛开展,但是对人类胚胎期的大脑全皮层的各个主要区域进行系统比较分析的研究此前尚未见报导。大脑皮层不同区域的神经元细胞存在明显的功能差异,比如听觉神经主要分布在颞叶区域,枕叶区域是视觉信号传输的主要区域。这些区域功能差异必然与脑区的结构和细胞类型组成密切相关,因而研究发育过程中不同脑区的基因表达差异对于认识大脑区域特异性功能的形成具有重要参考价值。该项研究通过高精度的单细胞转录组测序,结合系统的生物信息学分析和深度数据挖掘,对全皮层的细胞类型和基因表达差异进行了深入、精准的探索和分析,为解答“全皮层区域功能形成的调控”这一关键问题的后续研究提供了高精度的单细胞图谱,也为后续神经系统发育研究提供了参考。

北京大学北京未来基因诊断高精尖创新中心、生命科学学院博士后范小英、博士生董骥、中科院生物物理所博士生钟穗娟,以及北医三院博士生魏源为该研究的并列第一作者,汤富酬教授、乔杰教授及王晓群教授为共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京未来基因诊断高精尖创新中心、生命科学联合中心等的支持。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41422-018-0053-3

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