吴倩/王晓群/张军团队揭示人类下丘脑发育单细胞转录组的时空动态特征 | Cell Press对话科学家
生命科学
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2021年12月7日，北京师范大学吴倩课题组、中科院生物物理研究所王晓群课题组，携手首都医科大学附属安贞医院张军课题组在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Stem Cell在线发表了题为“人类下丘脑发育单细胞转录组的时空动态特征（Deciphering the spatial-temporal transcriptional landscape of human hypothalamus development）”的研究论文，系统阐明了人类下丘脑在胚胎发育的早期和中期单细胞转录组的时空动态变化、细胞类型特点和不同细胞谱系发育轨迹的时空特征，为深入了解其空间和功能复杂性奠定重要基础。
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下丘脑是间脑的组成部分，是调节内脏及内分泌活动的中枢。成年人类的下丘脑不到脑总量的1%，但它对机体生理功能的影响是巨大的。成体下丘脑的神经元种类呈现出多样性及功能特异性，即使在特定的核团内，不同的神经元类型表现出独有的基因表达模式和空间分布特征，这与其功能密切相关。下丘脑的发育异常及病变会引起多种疾病，如垂体机能减退，甲状腺功能异常，肥胖，抑郁症及焦虑症等。由于下丘脑对于生命活动重要的调控地位，目前对于下丘脑发育的研究日益受到关注。本文利用单细胞测序技术，系统解析人类下丘脑发育中的细胞类型的多样性和基因表达的时空特征，旨在揭开人类下丘脑发育的神秘面纱。
本研究使用单细胞转录组技术对人胚胎发育早期和中期（妊娠期7-20周）的处于不同空间位置的下丘脑组织进行测序分析，系统深入地揭示了人类下丘脑发育的分子表达时空变化和细胞类型特点，并阐明神经干细胞的分子多样性，揭示了维持细胞命运层级性分化重要调控因子，构建了不同神经干细胞亚型向不同终端细胞（包括多种神经元和胶质细胞）分化过程中的基因调控网络。更有意思的是，具有不同分子特征和空间定位的神经元亚型的出现从空间分布上遵循由前侧到后侧（anterior-posterior），由外侧到内侧（outside-inside）的发育模式。不同的神经元和神经胶质亚型依次产生，并表现为空间发育的不同步。通过跨物种比较分析表明，人类下丘脑胶质生成发生在妊娠的早期阶段，并显示出独特的转录谱表达特征，这些差异主要聚焦于人类的早期少突胶质细胞，而早期形成的少突胶质细胞与神经元细胞之间可能通过WNT、HIPPO和INTEGRIN等信号通路参与神经元发育的调节。总之，此研究工作提供了胚胎发育早期和中期人类下丘脑发育的细胞图谱和基因表达特征，为深入了解其空间和功能复杂性、发育异常引起的疾病机理奠定了重要基础。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请吴倩教授和王晓群教授代表研究团队进行了专访，请他们为大家进一步详细解读。
CellPress：
下丘脑由多种细胞核团和神经元组成，其功能存在着复杂性。此前有研究显示了啮齿动物下丘脑复杂的细胞层次和功能，那么与之相比，人类下丘脑发育的时空分子有何差异和特征？研究中又存在哪些难点？
吴倩教授：
下丘脑（hypothalamus）是最为复杂，且进化上相对保守的脑区之一，对于机体的生理、行为稳态的调节至关重要。区别于大脑皮层的层状结构，下丘脑由多种结构及功能复杂的细胞核团构成，具有种类极为复杂的神经细胞类型。不同种属动物的细胞核团的大小、形态、位置及区域边界具有差异性。在哺乳动物下丘脑发育过程中，不同类型的神经元亚型从位于第三脑室的神经干细胞发育而来，这些不成熟的神经元通过一定的迁移路径到达特定的核团位置，最终分化形成具有功能的神经元，从而促成不同功能核团的形成。
目前，关于啮齿类动物下丘脑发育研究比较多，但是人类下丘脑形成特点仍不明朗。通过跨物种比较，我们发现，下丘脑的发育在人和小鼠中大体上还是保守的，主要的神经细胞种类基本都能对应上。但是，相较于啮齿类（小鼠）动物，人类下丘脑的神经细胞，包括神经元和多种胶质细胞，在更早的阶段就开始发育了，并且在细胞亚型、基因表达模块、发育时程等方面呈现种属差异。举个例子，我们发现人类的早期产生的少突胶质细胞与小鼠的差异比较大，而我们的研究发现早期形成的少突胶质细胞与神经元细胞之间可能存在积极的互作关系。这一差异也说明，人神经元相比于小鼠神经元发育和成熟的更早，也可能依赖于这些非常早期的胶质细胞。
研究的难点主要在于：与大脑皮层层状结构不同，下丘脑是核团性结构，位于大脑底部，不足全脑的1%，具有较为复杂的空间异质性。较深的解剖位置和较小组织形态增加了获取完整样本的难度。为了保证取样的精确性，同时为了更为精准地研究其空间上的发育特征，我们设计了对胚胎脑组织进行震荡切片，在显微镜下切割、分离、收集从头侧到尾侧的下丘脑样本，进行后续的实验。此外，相较于啮齿类动物，人类脑组织获取和收集需要更多的时间，并且对于人类下丘脑研究有限，可供参考的信息不多，仅仅参考已有的啮齿类动物的研究结果很可能减少对于人鼠差异的揭示。这些因素都使得我们的研究工作变得更为困难。
CellPress：
请问神经祖细胞具有怎样的分子多样性，其主要受到何种调控？
王晓群教授：
位于神经上皮的神经祖细胞可以直接或间接产生哺乳动物中枢神经系统内的所有神经元，除此之外，它们还产生星形胶质细胞和少突胶质细胞。早期的研究表明，哺乳动物下丘脑神经祖细胞主要定位于第三脑室的脑室区。下丘脑多种神经细胞亚型主要来自于这些神经祖细胞的分裂和分化。我们近期工作（Zhou et al., Nature communications, 2020）揭示了一种新型的哺乳动物下丘脑神经祖细胞（hmRG，下丘脑外套层放射胶质细胞），并系统阐明了小鼠和人类下丘脑神经祖细胞的细胞形态、谱系特征和基因表达特点。
基于前期工作基础，我们这一次利用单细胞测序技术对人类下丘脑在胚胎发育早期和中期（妊娠7-20周龄）进行了分析，通过细胞聚类和轨迹分析，阐明下丘脑神经祖细胞类型多样性，主要体现在分子表达、空间分布、细胞状态和分化潜能等方面的差异。这些不同类型的神经祖细胞具有非常明确的分子特异性，由多种关键的转录因子及区域特异的驱动因子共同编码。此外，我们还揭示了维持细胞命运层级性分化重要调控因子，构建了不同神经干细胞亚型向不同终端细胞（包括多种神经元和胶质细胞）分化过程中的基因调控网络，表明不同细胞类型的命运特征决定发生于发育早期，并受到一系列不同的关键转录因子的组合调控。我们的工作系统解析了下丘脑的发育过程及参与神经发生的各类神经祖细胞，对于揭示下丘脑是怎样形成复杂的核团结构及如何发挥正常功能具有重要意义。
CellPress：
不同的神经元和神经胶质细胞在发育中呈现怎样的特征？
王晓群教授：
我们研究发现，在发育早期阶段，神经干细胞主要分化成多种具有不同分子特征和空间定位的神经元亚型，位于下丘脑前侧的神经元亚型先形成，且较早产生的神经元主要定位于下丘脑外侧，不同神经元亚型产生从空间分布上主要遵循由前侧到后侧（anterior-posterior），由外侧到内侧（outside-inside）的发育模式。随着发育进行，神经干细胞逐渐完成从神经元发生到胶质细胞发生的转换，产生少突胶质细胞和星形胶质细胞。这些不同胶质细胞类型在发育阶段也存在多样性及异质性，具有不同分子标记物及细胞状态。有趣的是，人类下丘脑不同的神经元和神经胶质命运依次产生，并显示空间发育不同步。通过跨物种比较分析，显示人类下丘脑胶质生成发生在妊娠的早期阶段，与小鼠相比显示出独特的转录谱表达特征。
CellPress：
请问人类早期少突胶质细胞（OL）具有怎样的发育轨迹？早期少突胶质细胞与神经元的相互作用又受到哪些信号的调控？
吴倩教授：
少突胶质细胞广泛分布于中枢神经系统，形成髓鞘，对于神经系统的正常发育和功能具有重要作用。缺少少突胶质细胞或其发育异常会导致神经系统发育障碍、阿尔茨海默病、亨廷顿舞蹈病和多发性硬化等神经退行性疾病。但目前对于人类下丘脑少突胶质细胞的种类及谱系发育过程尚未得到充分探索。在本研究工作中我们鉴定了不同少突胶质细胞前体细胞、新生少突胶质细胞、成熟的少突胶质细胞的不同亚型和其分子表达标记物。通过进一步的发育轨迹分析，我们发现了少突胶质细胞具有早、晚两个不同发育时期的发生途径，且具有不同分子表达特点。有意思的是，在少突胶质发生的早期就已存在种类丰富的神经元细胞，因此我们对于早期神经元和早期少突胶质细胞之间的互作网络进行了研究，受体-配体互作分析显示早期产生的胶质细胞群体可能会通过多种经典信号通路，例如wnt, hippo, integrin等影响神经元的分化及成熟过程。
CellPress：
本研究揭示了人类下丘脑发育的时空转录组图谱，请问这将为理解下丘脑的发育及功能提供怎样的帮助？
吴倩教授：
虽然哺乳动物下丘脑在进化上具有保守特征，我们的研究工作表明了人类下丘脑在发育过程中既有保守特征但同时也表现出物种差异。我们目前的一部分工作也聚焦于研究细胞亚型与下丘脑相关疾病的关系，例如一些疾病相关基因仅仅在某些特定的神经元亚型中高表达。因此，我们在单细胞水平系统解析人类下丘脑发育中的细胞类别和分子表达时空规律，不仅为全面了解人类下丘脑细胞类型多样性和功能提供了基础性的研究数据和结果，也对研究下丘脑发育相关疾病的分子细胞机理具有重要意义，将为推动靶向治疗的发展提供数据基础。
通讯作者简介
吴倩
教授
吴倩博士，北师大认知神经科学与学习国家重点实验室教授，北师大麦戈文脑科学研究院研究员，北脑青年学者，受国家优秀青年基金资助，长期致力于研究脑发育中干细胞增殖和分化的调控机制以及相关脑疾病的发病机理，入选中科院青促会，获干细胞青年研究员奖。近年来在Nature、Cell Stem Cell、Nature Communications等期刊上发表论文30余篇，研究成果入选2020中国生命科学十大进展。
王晓群
教授
王晓群博士，中科院生物物理所二级长聘研究员，脑与认知国家重点实验室副主任，中国科学院大学岗位教授，北脑学者，获谈家桢生命科学创新奖、中国科学院优秀导师奖、中科院朱李月华优秀教师奖、北京市科学技术奖二等奖，担任国家重点研发计划首席科学家，主持国家自然科学基金重大项目等多项国家级项目，多年来综合利用单细胞测序、基因编辑、多模态成像、电生理等各种交叉学科技术，主要从事大脑皮层发育及其功能环路形成的的调控机制的研究工作，研究成果发表在Nature、Science、Cell、Cell Stem Cell等杂志上，并获得多项国家发明专利授权。
相关论文信息
研究成果发表在Cell Press旗下Cell Stem Cell期刊上，点击“阅读全文”或扫描下方二维码查看论文。
▌论文标题：
Deciphering the spatial-temporal transcriptional landscape of human hypothalamus development
▌论文网址：
https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(21)00457-4
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.11.009
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