時空簡訊第15期。

本期遴選了9篇Nature、Cell 等頂級期刊發(fā)表的，在單細胞水平和/或組織空間原位研究大腦皮層發(fā)育與結構、大腦解剖腦區(qū)結構的論文，總結了其研究思路和主要發(fā)現(xiàn)，供參考。

人類

Human

湯富酬課題組：人類胚胎大腦皮層22個腦區(qū)的單細胞轉錄組圖譜

Cell Research [IF: 25.617]

① 對人類妊娠中期胚胎（22、23周）的22個腦區(qū)進行scRNA-Seq，獲得4,213個細胞數(shù)據(jù)（主要為神經(jīng)元、神經(jīng)膠質細胞和非神經(jīng)細胞），鑒定出29個細胞亞群，確定了與相應亞群生物學功能相關的獨特表達特征，如細胞周期、TF網(wǎng)絡（IF netwoks）和代謝；

② 與已有研究數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)妊娠中期胚胎神經(jīng)元和成人神經(jīng)元之間存在顯著差異（如成熟度不同；特異性表達方向相反，前者與細胞代謝有關，后者富含神經(jīng)元信號基因），胚胎抑制性神經(jīng)元與胚胎興奮性神經(jīng)元相比，表現(xiàn)出成熟延遲；

③ 原位雜交技術、RNA-seq和不同神經(jīng)元亞簇的皮層區(qū)域分析，觀察到不同大腦皮層區(qū)域的成熟過程不同步，反映了發(fā)育的空間區(qū)域差異；

④ 檢測了已知高可信度自閉癥譜系障礙（high-confifidence autism spectrum disorder，hcASD）基因（9個）和疑似ASD（probable ASD，pASD）基因（122個）的表達，在以上所有神經(jīng)元亞簇中均鑒定出9個hcASD基因的全部表達（CHD8、SCN2A、KATNAL2、POGZ、DYRK1A、ANK2、GRIN2B、CUL3、TBR1），其中ANK2、SCN2A、POGZ是hcASD和pASD互作網(wǎng)絡中的熱點基因，此外網(wǎng)絡分析鑒定了更多與hcASD基因相關的基因。（LYC/Lina）

胚胎腦的解剖和22個區(qū)域scRNA-Seq的方法示意圖

Spatial transcriptomic survey of human embryonic cerebral cortex by single-cell RNA-seq analysis.

2018.06.04, DOI: 10.1038/s41422-018-0053-3.

研究文章；人，胚胎，大腦皮層，scRNA-seq，空間轉錄組；Xiaoying Fan, Ji Dong, Suijuan Zhong, Yuan Wei, Xiaoqun Wang, Jie Qiao, Fuchou Tang；北京大學, 北京大學第三醫(yī)院，中國科學院生物物理研究所；中國

湯富酬課題組：胚胎多腦區(qū)域scRNA-seq揭示大腦皮層神經(jīng)元時空發(fā)育過程

Science Advances [IF: 14.136]

① 收集妊娠早期到中期（9~28周）的人類胚胎腦組織樣本，應用scRNA-seq獲得14,239個單細胞數(shù)據(jù)，全面繪制了胚胎發(fā)育關鍵階段的大腦皮層額葉（frontal lobe，F(xiàn)L）、頂葉（parietal lobe，PL）、枕葉（occipital lobe，OL）、顳葉（temporal lobe，TL）以及皮層下區(qū)域腦干（pons）的轉錄組圖譜，鑒定了8種主要細胞類型及其亞型，并通過標記基因對關鍵的細胞類型（神經(jīng)祖細胞、皮層興奮性神經(jīng)元細胞）進行了功能驗證，表征了它們的細胞形態(tài)結構，揭示了大腦皮層各區(qū)域發(fā)育成熟的時序差異；

② 鑒定出NPC_1（neural progenitor cell，NPC）細胞為心室徑向膠質細胞，NPC_2細胞為前體sub-RGs（oRGs），NPC_4細胞為中間祖細胞，并檢測到一個新的、人類特有的瞬時NPCs亞群（NPC_3），該亞群特異性地富集在11~14孕周胚胎皮層的增殖區(qū)域；

③ 在24周的FL神經(jīng)元中檢測到動作電位信號，說明FL神經(jīng)元較PL、TL、OL更早具備了電生理活性；

④ 大腦皮層和pons神經(jīng)元在分子調控和發(fā)育模式上表現(xiàn)出明顯的時空差異，pons神經(jīng)元發(fā)育和成熟的更早；

⑤ 通過人和小鼠大腦皮層發(fā)育過程比較，發(fā)現(xiàn)兩者皮層細胞發(fā)育模式保守，并且NPC_3和內皮信號基因APOLD1是人類特有的。（劉卓雅）

樣本采集和數(shù)據(jù)分析示意圖

Single-cell transcriptome analysis reveals cell lineage specification in temporal-spatial patterns in human cortical development.

2020.08.21, DOI: 10.1126/sciadv.aaz2978.

研究文章；人，大腦皮層，腦干，神經(jīng)細胞，scRNA-seq，空間轉錄組；Xiaoying Fan, Yuanyuan Fu, Xin Zhou, Le Sun, Ming Yang, Jie Qiao, Xiaoqun Wang, Fuchou Tang; 北京大學, 北京大學第三醫(yī)院, 中國科學院生物物理研究所，中國

人類大腦皮層發(fā)育過程中神經(jīng)中間祖細胞的多樣性

Proceedings of the National Academy of Sciences [IF: 11.205]

① 表征了人類大腦皮層發(fā)育過程中的神經(jīng)中間祖細胞（neural intermediate progenitor cells，nIPCs）轉錄組學和形態(tài)多樣性的變化，鑒定了發(fā)育過程中的nIPCs亞型的構成圖譜；

② scRNA-seq分析了5個妊娠8~22周胚胎的大腦皮層樣本細胞，確定了并通過免疫組化驗證了nIPCs的5種亞型：3個表達神經(jīng)源性基因的神經(jīng)元樣nIPC簇、1個放射狀膠質樣nIPC（RG-like nIPCs）簇、1個DLX5+ nIPC簇；

③ 在19/20孕周左右時，大腦皮層中nIPCs的空間分布出現(xiàn)突然改變，表明神經(jīng)發(fā)生后期的細胞分布和組織發(fā)生了明顯改變；

④ 大多數(shù)nIPC亞型普遍存在于神經(jīng)發(fā)生早期，而DLX5+ nIPCs出現(xiàn)在神經(jīng)發(fā)生后期，即出現(xiàn)在時空轉變中；

⑤ 量化重建SOX2表達狀態(tài)，分析nIPC轉錄組亞型和形態(tài)學之間的對應關系，觀察到與特定轉錄組亞型無關的nIPC形態(tài)多樣性，指出根尖表面接觸、長根尖突或長雙極突不能作為識別放射狀膠質細胞的唯一基礎。（張書琪/Lina）

IPCs的轉錄組亞型與神經(jīng)發(fā)育和細胞形態(tài)的關系

Human intermediate progenitor diversity during cortical development.

2021.06.29, DOI: 10.1073/pnas.2019415118.

研究文章；人，大腦皮層，胚胎，發(fā)育，神經(jīng)中間祖細胞，形態(tài)，空間轉錄組， scRNA-seq；Mark-Phillip Pebworth，Arnold R. Kriegstein；University of California; USA.

鼠

Mouse

小鼠神經(jīng)系統(tǒng)各種細胞類型的分子圖譜

Cell [IF: 41.582]

① 應用scRNA-seq對小鼠整個神經(jīng)系統(tǒng)（腦、脊髓、交感神經(jīng)、背根神經(jīng)節(jié)、腸神經(jīng)系統(tǒng)）進行全面普查，獲得約50多萬個單細胞轉錄組數(shù)據(jù)，確認了265種不同的細胞類型/亞群，其中包括200多種不同的神經(jīng)元，繪制了更清晰的區(qū)域細胞多樣性圖譜，為哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)提供了參考圖譜；

② 提出一個數(shù)據(jù)驅動分子分類方法，將不同類型的細胞劃分排列在70多個命名分類群中，該分類法為探索哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)的整體結構提供了一個客觀的結構原則；

③ 鑒定到7種不同的、受區(qū)域限制的星形膠質細胞：小腦的Bergmann神經(jīng)膠質細胞(ACBG)、嗅覺特異性星形膠質細胞 (ACOB，與嗅覺鞘細胞無關）、端腦特異性星形膠質細胞的兩種亞型 (ACTE1和ACTE2)、非端腦星形膠質細胞的兩種亞型 (ACNT1和ACNT2)、中腦背側的一個表達Myoc的星形膠質細胞（ACMB）；

④ 分子和解剖學上，7種不同的、受區(qū)域限制的星形膠質細胞具有明確發(fā)育邊界，且與關鍵谷氨酸和甘氨酸神經(jīng)遞質的空間分布相關，而少突膠質細胞表現(xiàn)出區(qū)域特征的喪失，隨著發(fā)育成熟進行次級多樣化（secondary diversifification）；

⑤ 不同大腦區(qū)域的神經(jīng)元多樣性是相似的，但可通過發(fā)育解剖單位和神經(jīng)遞質、神經(jīng)肽的表達進行區(qū)分，這種差異由編碼細胞身份、突觸聯(lián)系、神經(jīng)傳遞和膜電導的基因所驅動。（宓曉晴）

研究涉及的小鼠神經(jīng)器官和組織

Molecular architecture of the mouse nervous system.

2018.08.09, DOI: 10.1016/j.cell.2018.06.021.

研究文章；小鼠，神經(jīng)系統(tǒng)，腦，脊髓，交感神經(jīng)，背根神經(jīng)節(jié)，腸神經(jīng)，星形膠質細胞，膠質細胞，scRNA-seq；Amit Zeisel, Sten Linnarsson; Karolinska Institute；Sweden.

成年小鼠大腦的基因調控元件圖譜

Nature [IF: 49.962]

① 大腦皮層運動神經(jīng)元圖譜景觀以及數(shù)據(jù)庫聯(lián)盟（Brain Initiative Cell-Census Network，BICCN）繪制全腦圖譜的系列研究成果之一——成年鼠腦細胞轉錄調控圖譜的繪制（http://catlas.org/mousebrain）；

② 高精度的解剖分離獲得小鼠（8周，雄性）的大腦的同形皮層、嗅球、海馬和大腦核（包括紋狀體和蒼白球）的45個組織解剖區(qū)域（每區(qū)域約600μm厚），進行單核（single-nucleus，sn）ATAC測序，獲得超過80萬個單細胞核的snATAC數(shù)據(jù)，繪制了160種不同細胞類型中491,818個候選順式調控DNA元件（candidate cis-regulatory elements，cCREs）的染色質可及性圖譜；

③ 不同細胞類型存在cCREs染色質可及性差異，比如SSTGA10亞型神經(jīng)元相對于其他SST（Sst+）神經(jīng)元出現(xiàn)鋅指轉錄因子家族KLF明顯富集，整合RNA表達和motif富集分析，闡明了神經(jīng)發(fā)生過程不同調控因子間的相互作用；

④ 與已發(fā)表鼠腦scRNA-seq數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，共鑒定出813,638對基因-cCRE對，距離均在500 kb范圍內，共有129,404對正相關的cCRE（推測為增強子）和基因；

⑤ 小鼠基因進行同源轉化后，對20個神經(jīng)traits與snATAC進行連鎖分析，發(fā)現(xiàn)重度抑郁癥、雙相情感障礙和精神分裂癥（schizophrenia，SCZ）在各種不同神經(jīng)元細胞類型中具有特異性cCREs變化，而注意缺陷多動障礙和自閉癥譜系障礙與大腦核和海馬中的特定神經(jīng)元細胞類型（GABAergic和谷氨酸能神經(jīng)元）的cCREs有關。（黃映萍）

小鼠大腦解剖示意圖及不同腦區(qū)的細胞類型

An atlas of gene regulatory elements in adult mouse cerebrum.

2021.10.06, DOI: 10.1038/s41586-021-03604-1.

研究文章；小鼠，大腦，神經(jīng)系統(tǒng)，snATAC-seq，表觀組學；Yang Eric Li, Sebastian Preissl, Bing Ren; Ludwig Institute for Cancer Research, University of California San Diego, USA.

大腦皮層中神經(jīng)膠質祖細胞多樣性、發(fā)育和膠質瘤發(fā)生機制

Cell Stem Cell [IF: 24.633]

① 從初生小鼠大腦皮層中，流式細胞儀（FACS）分選出潛在的星形膠質細胞和少突膠質前體細胞（oligodendrocyte precursor cells，OPCs），并分譜系進行scRNA-seq，揭示了正常神經(jīng)膠質祖細胞與惡性神經(jīng)膠質祖細胞的共有和差異的分子和細胞動力學；

② 單細胞分析顯示，GFP+細胞群包括星形膠質細胞、OPCs和神經(jīng)母細胞，并發(fā)現(xiàn)了一個與已知的星形膠質細胞和少突膠質細胞相關的過渡態(tài)祖細胞群（intermediate glial progenitor cells，iGCs），揭示了神經(jīng)膠質祖細胞中間體不同的發(fā)育軌跡和增殖潛力；

③ 基于差異表達基因、靶點結合潛力和細胞簇關系的機器學習，識別細胞譜系驅動的轉錄因子，鑒定出一種RNA結合蛋白Zfp36l1，發(fā)現(xiàn)其對于少突膠質細胞-星形膠質細胞譜系轉變和膠質瘤發(fā)生至關重要；

④ 小鼠膠質母細胞瘤模型（murine model of glioblastoma，GBM）腫瘤組織scRNA-seq分析，發(fā)現(xiàn)pri-OPC不成比例地促進了膠質瘤的形成，pri-OPC重新編程和擴增進入莖樣狀態(tài)而經(jīng)歷表型轉換，易進一步發(fā)生腫瘤惡化。（郭欣雨）

神經(jīng)膠質瘤發(fā)生過程及細胞多樣性

（NSC：神經(jīng)干細胞；RG：放射狀膠質細胞）

Single-cell transcriptomics uncovers glial progenitor diversity and cell fate determinants during development and gliomagenesis.

2019.05.02, DOI: 10.1016/j.stem.2019.03.006.

研究文章；小鼠，大腦皮層，流式分選，星形膠質細胞，少突膠質細胞，細胞命運，scRNA-seq；Qinjie Weng, Jincheng Wang, Jiajia Wang, Danyang He, Q. Richard Lu; Cincinnati Children’s Hospital Medical Center, 浙江大學, 復旦大學兒童醫(yī)院；USA, 中國

小鼠腦背腹側軸的下托和前下托的細胞類型構成和神經(jīng)回路差異

Cell Reports [IF: 9.423]

① scRNA-seq分析發(fā)現(xiàn)，小鼠腦下托（subiculum，Sub）和前下托（prosubiculum，PS）是兩個不同的區(qū)域，具有不同的轉錄組細胞類型、神經(jīng)回路和背腹側范圍，這對于神經(jīng)元和注射部位準確定位，以及歷史數(shù)據(jù)解釋至關重要；

② 繪制了1個專門針對谷氨酸能神經(jīng)元的樹狀圖（包括2,182個SMART-seq和14,880個10X細胞），通過共識聚類鑒定了位于下托、前下托和海馬-杏仁核過渡區(qū)（hippocampo-amygdaloid transition area，HA）的27種細胞類型及其空間位置；

③ 利用3個區(qū)域（Sub、PS、HA）的特定細胞類型的基因標記，沿著整個背腹側軸準確地勾畫了它們之間的邊界，發(fā)現(xiàn)背側和腹側亞區(qū)域分別主要由Sub和PS占據(jù)；

④ 利用不同的Cre細胞系示蹤發(fā)現(xiàn)，Sub對空間處理和導航有明顯的地形投射，而PS在許多與獎勵、情感、壓力和動機相關的皮層下區(qū)域有廣泛的投射。（劉雪梅/Lina）

主要發(fā)現(xiàn)示意圖

Distinct transcriptomic cell types and neural circuits of the subiculum and prosubiculum along the dorsal-ventral axis.

2020.05.19, DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107648.

研究文章：小鼠，腦，下托，前下托，神經(jīng)回路，scRNA-seq；Song-Lin Ding；Allen Institute for Brain Science, USA.

中縫背核的分子與解剖組織研究

eLife [IF: 8.140]

① 利用inDrop單細胞轉錄組測序分析了8只小鼠（8~10周齡，雄雌各4只）中縫背核（dorsal raphe nucleus，DRN）的細胞組成，并結合原位雜交、解剖定位與空間建立關聯(lián)等方法，繪制了小鼠DRN細胞的轉錄和空間譜，將細胞類型的特征表達譜與解剖特征聯(lián)系起來；

② 確定了至少有18種不同的神經(jīng)元亞型和5種不同的5-羥色胺能（5-HT）神經(jīng)元亞型具有不同的分子和解剖特性，此外還基于基因表達譜揭示了神經(jīng)元和非神經(jīng)元細胞類型的組織原理；

③ 闡明了不同的5-HT和非5-HT子系統(tǒng)的結構，為進一步解剖DRN及研究其功能奠定了基礎。（胡杰）

inDrop平臺的scRNA-seq示意圖

Molecular and anatomical organization of the dorsal raphe nucleus.

2019.08.14, DOI: 10.7554/eLife.46464.

研究文章；小鼠，腦, 中縫背核，神經(jīng)元，inDrop，scRNA-seq；Kee Wui Huang, Bernardo L Sabatini; Howard Hughes Medical Institute, Harvard Medical School; USA.

小鼠腹側下丘腦后區(qū)的細胞分類與空間組織

eLife[IF: 8.140]

① 采用基于液滴的scRNA-seq方法，研究了小鼠腹側下丘腦后區(qū)（ventral posterior hypothalamus，VPH）的細胞構成，解析了不同VPH回路在生理和行為（健康、疾病狀態(tài)下）中的作用；

② 對雄性和雌性幼年小鼠VPH 16,000個單細胞轉錄組聚類分析，鑒定出18個非神經(jīng)元簇和20個不同的神經(jīng)元簇，其中后者包括13個谷氨酸能神經(jīng)元，6個γ-氨基丁酸能神經(jīng)元（GABAergic），1個（簇17）與組氨能神經(jīng)元的特征最匹配的神經(jīng)元；

③ 多重熒光原位雜交（FISH）分析和艾倫大腦研究所的原位雜交（ISH）數(shù)據(jù)，驗證了在已識別神經(jīng)元群體中差異表達的基因；

④ 聚焦于乳頭體（mammillary bodies，MB），發(fā)現(xiàn)不同的神經(jīng)元亞型受限于解剖學上分割的隔斷層，利用3個基因（Slc17a6-Cre、Nts-Cre、Calb1-Cre）的表達特征可在MB中對神經(jīng)元群體精確定位到解剖位置。（張珊/Lina）

VPH顯微解剖、單細胞分離、測序文庫制備和生物信息學分析

Cellular taxonomy and spatial organization of the murine ventral posterior hypothalamus. 2020.10.29, DOI: 10.7554/eLife.58901.

研究文章；小鼠，下丘腦，神經(jīng)元細胞，scRNA-seq; Laura E Mickelsen, William F Flynn, Paul Robson, Alexander C Jackson; University of Connecticut; USA.

特別關注

2022年6月30日下午14:00到16:00，深圳華大生命科學研究院將舉辦腦科學專題線上研討會，請持續(xù)關注。

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