Sci Adv︱周申如团队发现大脑脑区发育和脑区边界建立的新机制
撰文︱许文馨
责编︱王思珍
哺乳动物的大脑是个极为复杂并受高度精准调控的器官，用以接收感官讯息、整合记忆、认知和意识并协调动作行为。脊椎动物中枢神经系统的一些脑区边界，如中脑-后脑边界、丘脑内界限带、后脑中菱脑原节之间的边界，建立自谱系特异的腔室之间，并进一步由不同的细胞粘附所特化【1】。
大脑皮质（cerebral cortex）由新大脑皮质（neocortex）、古皮质（archicortex）和旧皮质（paleocortex）等不同的具有独特结构和功能的脑区所构成。位于不同脑区的神经细胞都有其独特的基因表达、神经连结和特性。其中令人感到惊奇的是这些神经细胞，绝大多数均由同一群皮层先驱细胞（cortical progenitors）所分化而来【2】，因此在发育过程中，如何让相似的先驱细胞在不同区域分化成各式神经细胞，进而诱导出拥有特定功能的脑区，以及不同脑区间明确交界的形成，都是许多脑神经科学家深感兴趣的课题。
2021年7月2日，中央研究院细胞与个体生物学研究所周申如副研究员（通讯作者）所领导的研究团队在《科学进展》（Science Advances）上发表了题为COUP-TFI specifies the medial entorhinal cortex identity and induces differential cell adhesion to determine the integrity of its boundary with neocortex的最新研究论文。冯佳和许文馨为本文共同第一作者。研究发现：转录因子COUP-TFI不仅能够决定内嗅皮质的形成，还能通过不同的细胞黏附性让内嗅皮质和邻近的新大脑皮质之间建立明确且完整的分界。
有理论和模型认为，转录因子（TFs）的梯度表达（graded expression）决定新生神经元的命运【3】。有证据也支持TFs梯度表达模式在大脑皮质（包括新大脑皮层）的神经特化和和区域模式中发挥重要作用，换言之，大脑皮质中先驱细胞呈梯度表达的转录因子在大脑发育过程中决定了不同脑区的所在及其大小【4-5】。然而，这些不同大脑区域的边界是如何严格且精密建立的呢？尚不完全清楚。
在此，为了具体研究新大脑皮层（简称NC）和内侧嗅皮层（简称MEC）之间的边界，研究者首先分析了成年的这两个脑区的差异基因表达谱，发现，差异表达基因主要参与神经系统发育、神经元分化、细胞迁移和细胞粘附，提示了成年的NC和MEC具有明显的神经特性差异，及不同区域的神经元特性在神经发生的早期建立。
紧接着，在RNA测序分析中，作者格外注意到转录因子COUP-TFI（鸡卵清蛋白上游启动子转录因子I，亦称NR2F1）的独特表达模式，其表达量最高的位置位于将来可能发育成MEC的区域，由此推测，相对高量表现的COUP-TFI可能具有诱导MEC生成的能力。
因此，研究团队构建了COUP-TF基因的条件性敲除（cKO）和人源COUP-TF条件性敲入（cTG）小鼠，以研究COUP-TF表达量（即低表达和高表达）对MEC生成的影响。结果发现，改变大脑皮质先驱细胞中COUP-TFI的表达量，会影响MEC和NC的交界位置，且COUP-TFI的表达量和MEC的大小呈正相关（图1）。此外，有趣的是，研究团队发现，在高表达COUP-TFI的转基因小鼠尾侧（caudal part）NC有许多异位的MEC，并且这些异位MEC的基因表达、神经新生的日程和神经连结状态都相似于正常的MEC，以致于MEC和NC之间没有明确的交界。
图1 大脑皮质先驱细胞中COUP-TFI的表达量决定MEC和NC的交界位置
（图片来源：周申如实验室）
为了进一步探讨COUP-TFI参与其中的调控机制，于是，基于之前的理论和模型，研究团队提出了一种新的数学模型以更加准确地模拟COUP-TFI转基因小鼠中异常交界现象的形成，模型显示，异常交界形成过程需要：（1）高量表达的COUP-TFI能够细胞自主性地诱导大脑皮质先驱细胞分化成MEC细胞；（2）MEC和NC细胞各带有不同的细胞黏附性，且具有相同特性的细胞会相互聚集。
进一步的实验证实，COUP-TFI高表达确实能够诱发MEC细胞的分化，并可在异位MEC中观察到高量表达的原钙粘附因子19（简称Pcdh19）（一种细胞黏附分子）。免疫共沉淀实验表明，COUP-TFI能够与Pcdh19启动子区域的一个保守位点相结合。若是过量表达COUP-TFI的同时降低Pcdh19的表达，虽然无法抑制高量COUP-TFI诱导大脑皮质先驱细胞分化成MEC细胞的能力，但是会显著地降低异位MEC细胞聚集的现象。因此，过量表达COUP-TFI不仅诱发MEC的细胞分化，还会通过细胞黏附分子Pcdh19进而促使异位MEC细胞聚集，从而在MEC和NC交界处形成异位MEC。
图2 高量表达的COUP-TFI能自主性地诱导大脑皮质先驱细胞分化成内嗅皮质细胞，并且通过细胞黏附分子Pcdh19使异位内嗅皮质细胞聚集
（图片来源：周申如实验室）
文章结论与讨
然而，还有许多尚未清楚的议题值得再深入探讨，例如：（1）如何建立大脑皮质先驱细胞中COUP-TFI的浓度梯度？（2）除了Pcdh19，是否还有其他也表达于内嗅皮质的细胞黏附分子共同参与脑区分界的建立？（3）其他脑区发育过程中关键的诱导因子？……
内嗅皮质由许多特化的细胞所组成，能够接收外来讯息并传递至海马回以建立记忆、进行空间定位和导航【6】。一旦发育过程产生缺陷，即可能导致内嗅皮质的结构、功能异常，曾有研究指出精神分裂症和内嗅皮质的异常相关【7】。此外，在阿兹海默症病程中，内嗅皮质也是最早因神经纤维纠结侵害而受损的脑组织之一【8】，导致患者产生空间认知障碍和失忆。因此进一步了解COUP-TFI对于调控内嗅皮质发育的机制，或是了解内嗅皮质中各种特化神经细胞的特性及其调控机制，将为神经发育疾病甚至是阿兹海默症的预防或治疗提供潜在方法。
总的的来说，这项研究表明，转录因子的表达量调控着大脑脑区的特化，并通过脑区特有的细胞黏附性来建立不同脑区之间明确完整的交界。
原文连接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/27/eabf6808
冯佳（左图）和许文馨（右图右五）为论文共同第一作者，周申如副研究员为通讯作者（右图右三）。
（图片来源：周申如实验室）
本研究经费由中央研究院及科技部共同支持。
【2】Nat Neurosci︱MeCP2磷酸化: 快速抗抑郁药的持续抗抑郁作用的分子机制
【3】Mol Psychiatry︱前沿综述解读: 氯胺酮抗抑郁症的分子机制的最新进展
【4】BRAIN长文︱胡昊实验室揭示脑瘫的分子病因, 脑瘫其实是一种遗传病
【5】PNAS︱何淑君课题组揭示胶质细胞提供时间信号调控神经元发育的新机制
【7】Cell︱突破! 人类大脑空间导航和记忆的新机制: 海马和内嗅皮层相位进动
参考文献（上下滑动查看）
【1】 C. Kiecker, A. Lumsden, Compartments and their boundaries in vertebrate brain development. Nat. Rev. Neurosci. 6, 553–564 (2005).
【2】A. Gorski, T. Talley, M. Qiu, L. Puelles, J. L. R. Rubenstein, K. R. Jones, Cortical excitatory neurons and glia, but not GABAergic neurons, are produced in the Emx1-expressing lineage. J. Neurosci. 22, 6309–6314 (2002).
【3】L. Wolpert, Positional information and the spatial pattern of cellular differentiation. J. Theor. Biol. 25, 1–47 (1969).
【4】L. C. Greig, M. B. Woodworth, M. J. Galazo, H. Padmanabhan, J. D. Macklis, Molecular logic of neocortical projection neuron specification, development and diversity. Nat. Rev. Neurosci. 14, 755–769 (2013).
【5】D. D. O'Leary, S. J. Chou, S. Sahara, Area patterning of the mammalian cortex. Neuron 56, 252–269 (2007).
【6】T. Sasaki, S. Leutgeb, J. K. Leutgeb, Spatial and memory circuits in the medial entorhinal cortex. Curr Opin Neurobiol. 32, 16–23 (2015).
【7】S. E. Arnold, B. T. Hyman, G. W. Van Hoesen, A. R. Damasio, Some cytoarchitectural abnormalities of the entorhinal cortex in schizophrenia. Arch. Gen. Psychiatry 48, 625–632 (1991).
【8】H. Braak, E. Braak, Neuropathological stageing of Alzheimer-related changes. Acta Neuropathol. 82, 239–259 (1991).
制版︱王思珍
本文完