Cell Research :汤富酬/乔杰/王晓群合作组首次绘制人类胚胎大脑全皮层转录组图谱并揭示区域发育异质性
2018-06-06 迦 溆 BioArt
https://www.nature.com/articles/s41422-018-0053-3
大脑的复杂性决定了人类需要投入更多的人力、物力和财力去全面了解脑图谱以及脑对环境中复杂信息的获取、处理、加工以及高级认知功能的机制。近年来，世界上很多国家都加快了脑科学研究的步伐，2013年，欧盟启动了耗资10亿欧元的“人类脑计划”；同年，美国宣布启动耗资45亿美元的美国“脑计划”；2014年，日本也启动了大型脑研究计划。在此背景之下，中国的“脑计划”也呼之欲出，近期北京和上都相继成立了研究中心，可以说2018年有望是中国“脑计划”的落地的元年。
今年3月14日，中科院生物物理研究所王晓群组、北京大学汤富酬组、北京大学第三医院乔杰组和首都医科大学附属安贞医院张军组联合研究团队首次利用单细胞转录组测序手段，绘制了人脑前额叶胚胎发育过程的单细胞转录组图谱，解析了人类胚胎大脑前额叶发育的细胞类型多样性及不同细胞类型之间的发育关系，揭示了神经元产生和环路形成的分子调控机制，并对其中关键的细胞类型进行了系统的功能研究，为绘制最终完整的人脑细胞图谱，奠定了重要的基础（Nature丨中国学者合作绘制人脑前额叶发育的单细胞图谱并揭示神经元的分化成熟机制——张旭、仇子龙点评）。
在上述基础之上，日前，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研究组与中国科学院生物物理研究所王晓群课题组携手北京大学第三医院乔杰研究组联合在 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手段，绘制了人类胚胎中晚期（22-23周龄）大脑全皮层及脑干共22个脑区的单细胞转录组图谱，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及同种类型神经元在不同脑区差异表达的基因，阐明了胚胎期不同脑区发育成熟的异步性特征，是继该团队在 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脑发育的进一步系统分析。
通过与人类成年大脑神经元进行系统的比较分析，该研究还确定了胚胎期神经元基因表达的关键特点。除此之外，该研究还系统分析了自闭症风险基因在各个脑区相对成熟的兴奋性神经元中的表达特点和区域特异性，鉴定出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，为神经系统疾病的发生及治疗提供了参考。
人类大脑胚胎全皮层图示
本项目研究发现皮层的区域差异首先体现在各种类型细胞的组成比例，尤其是神经元和胶质细胞的组成比例显着不同，在额叶区域兴奋性神经元占主导地位而在颞叶区域抑制性神经元占主导地位，皮层下侧的脑区则大量富集神经胶质细胞，这为不同脑区神经信号网络的构建提供了细胞基础。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分化发生过程，而后者则在发育上比较同步，同一时期大脑皮层中检测到的抑制性神经元成熟度一致，几乎不存在发育先后的异质性。当分析不同发育阶段胚胎之后，抑制性神经元也能建立发育衍化关系，然而特定类型的抑制性神经元（比如SST类型）在胚胎皮层中出现更早，并没有伴随相应的神经功能成熟过程。通过对兴奋性神经元发育过程的进一步分析，发现了调控体内神经元成熟的关键候选转录因子，可以为体外神经元定向诱导成熟分化提供更为精准的参考。
为了全面解析人类胚胎期神经元细胞与成体神经元的分子差异，该研究分析比较了多个已经发表的数据集，发现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差异很大，说明抑制性神经元在胚胎发育后期及出生后经历的基因表达变化更剧烈。即便胚胎-成体差异存在不同，这两种神经元在胚胎期都还不具备成体神经元的皮质层分布结构特征。当把所有类型的神经元放在一起做聚类分析时，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二者之间的差异，提示可能由于成体不同类型神经元之间已经构建起进行信号传递的神经网络，因而其基因表达特征更相似。
兴奋性神经元成熟调控，区域成熟差异及与成体神经元的比较分析
在以往的不同脑区基因表达差异的相关研究中，通常是基于大量细胞系宗平均分析研究差异表达基因，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不是仅仅由于不同脑区相同细胞类型的组成比例不同导致的。因此，本研究在单细胞分辨率在所有细胞类型中比较不同脑区的差异表达基因，分别发现并验证了早期兴奋性神经元、成熟兴奋性神经元以及抑制性神经元在不同脑区的特异表达情况，这些区域特异性表达的基因大部分与神经系统疾病或者大脑区域化功能发育密切相关，进一步说明了神经系统功能形成的脑区特异性调控机制。已有研究已经发现自闭症的发生于妊娠中期的投射神经元关系密切，本项目在此基础上进一步证实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，而进一步脑区特异性的研究发现这些风险基因与大脑更靠近背侧的皮层区域更为相关，这提示这些背侧皮层区域的神经元发育异常可能会更容易引发自闭症。
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
哺乳动物大脑皮层中枢神经系统的主要构成，包含了数百万到数十亿个神经元。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，但对人类的大脑全皮层的主要区域进行系统比较分析的研究尚未见报导。大脑不同皮层区域神经元的功能存在明显差异，比如听觉神经系统主要分布在颞叶区域，枕叶区域是视觉信号传输的路径，而额叶则富集了人类最为发达的意识行为调控。这些区域的功能差异必然与脑区的结构组成密切相关，那么研究发育过程中不同脑区的差异对于认识区域特异性功能的形成具有重要作用。
该项研究通过高精度的单细胞转录组测序，结合系统、全面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细胞图谱，也为后续神经系统发育研究提供重要的基础。
生科院博士后范小英、博士研究生董骥与中科院生物物理所博士研究生钟穗娟，以及北医三院博士研究生魏源为本文并列第一作者，汤富酬教授、乔杰教授及王晓群教授为共同通讯作者。
原始出处：
Xiaoying Fan, Ji Dong, Suijuan Zhong, et al.Spatial transcriptomic survey of human embryonic cerebral cortex by single-cell RNA-seq analysis. Cell Research.04 June 2018
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