Neuron：2020年新院士宋洪军教授团队探秘下丘脑核团神经元类型多样性的产生机制
报道来源：BioArt
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神经元是构成神经系统结构的基本功能单位。中枢神经系统的神经元具有两种典型的组织结构形式，一种是层状结构（laminar structure），例如大脑皮质（cortex）；另一种是核团结构（nuclear structure），例如下丘脑（hypothalamus）。层状结构发育形成的分子和细胞机制研究的比较广泛而深入，而我们对核团结构发育形成机制的研究比较少。下丘脑是动物大脑进化中比较保守的一个脑区，其具有大量的核团（nucleus）和众多的神经元类型（neuronal subtype）【1】。下丘脑也是大脑调节动物稳态（homeostatic state）和基本行为（primitive behavior）必不可缺是的脑区， 其对内分泌，睡眠与昼夜节律，生殖与性行为以及饮食与能量平衡具有关键的调控作用 【2】。下丘脑这些复杂而精细的调控功能依赖于其大量的核团和众多的神经元类型。然而，我们对下丘脑神经元产生和组织的机制以及下丘脑核团发育形成（developmental establishment）的规律知之甚少。
2021年2月17日，美国宾夕法尼亚大学宋洪军教授团队（2020年当选美国国家医学科学院院士，详见： 恭喜！又一对华人神经科学“院士伉俪”！）在Neuron期刊上在线发表了题为“Decoding neuronal composition and ontogeny of individual hypothalamic nuclei”的研究工作。该研究揭示了若干小鼠下丘脑核团的神经元类型构成，发现了下丘脑神经元类型多样性的产生机制和下丘脑核团发育形成的基本规律。
这项研究首先利用转录因子对出生后（postnatal）下丘脑弓状核（arcuate nucleus, Arc），腹内侧核（ventromedial hypothalamus, VMH）和结节核（tuberal nucleus, TuN）的神经元进行了标记和分类。作者发现三组转录因子的组合TBX3/OTP/DLX，NKX2.1/SF1和OTP/DLX能够分别标记几乎所有弓状核，腹内侧核和结节核的神经元。TBX3/OTP/DLX组合可以区分四种类型的弓状核神经元，这四种弓状核神经元类型被命名为Arc1-4（见图1）。进一步的研究表明，Arc1，Arc2和Arc4类型神经元分别与对饮食行为或激素分泌具有重要调控作用的POMC神经元，NPY/AgRP神经元和TH神经元具有一一对应的关系。
图1. 下丘脑弓状核（Arc）神经元的类型与分布
作者同时发现，NKX2.1/SF1组合能够将腹内侧核区分为内侧的VMHdm/c区和外侧的VMHvl区。OTP/DLX组合可以区分三种类型的结节核神经元，这三种结节核神经元类型被命名为TuN1-3（见图2）。进一步的研究证实所有的腹内侧核神经元是谷氨酸能神经元（glutamatergic），而所有的结节核神经元是γ-氨基丁酸能（GABAergic）神经元。
图2. 下丘脑腹内侧核（VMH）与结节核(TuN)神经元的类型与分布
接下来，作者对下丘脑核团的发育进行了研究。与神经肽等标记物相比，转录因子在神经元产生与分化过程中表达的比较早。因此，利用转录因子可以追踪神经元在胚胎发育期的起源和迁移。作者发现在胚胎期四种类型的弓状核神经元均起源于一个共同的区域，并将其命名为pArc（progenitor domain of arcuate nucleus）。更有意思的是，四种弓状核神经元是以一种马赛克（mosaic）模式产生的，即四种弓状核神经元相互交错产生，并没有专一的pArc亚区各自产生不同的神经元类型。利用核苷类似物BrdU进行出生日期追踪（birth-dating）发现四种弓状核神经元是同时（simultaneous）产生的。
为了进一步了解这种马赛克模式产生的细胞机制，作者进行了单细胞克隆谱系分析（single-cell clonal lineage-tracing analysis）实验。该实验可以在小鼠胚胎早期标记单个（individual）的下丘脑胚胎神经干细胞即放射状胶质细胞（radial glia progenitor, RGP），然后在出生后分析被标记的放射状胶质细胞所产生的神经元类型。作者发现pArc区域的单个放射状胶质细胞是多潜能（multipotent）神经干细胞，其至少能够产生两种弓状核神经元类型，极少产生单一弓状核神经元类型（见图3）。进一步的分析发现，pArc区域的单个放射状胶质细胞能够产生四种弓状核神经元类型中的多种神经元类型的组合。
图3. 下丘脑弓状核（Arc）神经元的产生与弓状核的发育形成
然后，作者对下丘脑腹内侧核和结节核的发育形成也进行了研究。在中枢神经系统中，两种主要的神经元类型谷氨酸能神经元和γ-氨基丁酸能神经元通常起源于胚胎期不同的前体细胞区域（progenitor domain）【3-5】。作者惊讶的发现谷氨酸能的腹内侧核神经元和γ-氨基丁酸能的结节核神经元在胚胎期共同起源于同一前体细胞区域，并将其命名为pVMH（progenitor domain of ventromedial hypothalamus）。进一步的研究发现，腹内侧核神经元和结节核神经元也是以马赛克模式产生的。BrdU追踪实验表明腹内侧核和结节核神经元是以从外向内（outside-in）的模式组织分布的，即早期产生的神经元主要分布在腹内侧核的外侧（VMHvl）和结节核，而晚期产生的神经元主要分布在腹内侧核的内侧（VMHdm/c）。随后，作者对pVMH区域进行了单细胞克隆谱系分析。该研究表明pVMH区域的单个放射状胶质细胞能够同时产生谷氨酸能的腹内侧核神经元和γ-氨基丁酸能的结节核神经元。进一步的分析发现，pVMH区域的单个放射状胶质细胞是多潜能神经干细胞，其至少能够产生外侧腹内侧核神经元，内侧腹内侧核神经元和结节核神经元三种神经元中的二种类型，并且能够产生三种神经元类型中的各种神经元类型的组合（见图4）。
图4. 下丘脑腹内侧核（VMH）和结节核（TuN）神经元的产生与腹内侧核和结节核的发育形成
综上所述，首先，该研究利用不同转录因子的组合鉴别了下丘脑弓状核，腹内侧核和结节核的神经元以及它们的神经元类型；其次，阐述了pArc区域和pVMH区域以马赛克模式产生多种神经元类型的现象，并且发现了pArc区域贡献弓状核神经元，而pVMH区域同时贡献谷氨酸能的腹内侧核神经元和γ-氨基丁酸能的结节核的神经元，从而也解决了结节核神经元胚胎起源的问题；最后，揭示了pArc区域和pVMH区域单个放射状胶质细胞的多潜能性以及这些放射状胶质细胞谱系的多样性。鉴于中枢神经系统中具有众多的核团结构脑区，并且我们对这些核团的发育形成机制知之甚少，该研究所阐述的现象和发现的基本规律对于研究其它核团的神经元多样性的产生机制和发育形成机制具有重要的借鉴意义。
该论文的第一作者是马通博士，通讯作者是宋洪军教授。美国杜克大学的Z. Josh Huang教授，复旦大学脑科学研究院的杨振纲教授和布法罗大学的Jae W. Lee教授为这项研究提供了帮助。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.01.026
参考文献
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2.Saper, C.B., and Lowell, B.B. (2014). The hypothalamus. Curr Biol 24, R1111-1116.
3.Alaynick, W.A., Jessell, T.M., and Pfaff, S.L. (2011). SnapShot: spinal cord development. Cell 146, 178-178.e171.
4.Gray, P.A. (2008). Transcription factors and the genetic organization of brain stem respiratory neurons. J Appl Physiol (1985) 104, 1513-1521.
5.Marin, O., and Muller, U. (2014). Lineage origins of GABAergic versus glutamatergic neurons in the neocortex. Curr Opin Neurobiol 26, 132-141.