Nature︱时松海课题组揭示调控大脑新皮层神经元空间精细结构排布和环路组装的新机制

撰文︱吕晓辉，时松海

责编︱王思珍，方以一

编辑︱王思珍

哺乳动物大脑新皮层是一个极其复杂并且高度组织化的结构，它占整个大脑体积和质量的绝大部分，调控感知、语言、情感、认知等高级神经功能。理解大脑的发育组装和工作运行机理是脑科学乃至整个自然科学的终极目标之一。大脑新皮层的发育是一个精细调控的过程，对脑发育及其调控机制的研究，不仅对认识脑结构和理解脑功能极为关键，也为诊断和治疗神经系统疾病提供思路和方向。哺乳动物大脑新皮层在发育过程中，产生数量庞大且种类繁多的神经元，这些神经元可以形成特异的神经突触连接，进而组装成精准复杂的神经网络，以调控各种复杂的行为活动。但是，目前对这些数量庞大、种类繁多的神经元是如何相互识别，并在空间位置上精确排布最终形成功能性神经环路的分子发育机制仍了解甚少，是脑科学研究的一个重大前沿问题。

神经细胞的有序排布和精准连接依赖于它们之间的相互识别和作用，这主要是由细胞表面分子所介导的；而细胞表面分子是如何能有效精准介导大脑成百上千亿神经细胞之间的识别和作用一直是一个未解之谜。钙粘蛋白（Cadherin）作为一类经典的细胞表面分子家族介导细胞间的相互作用，而集簇性原钙粘蛋白（clustered protocadherin，cPCDH）家族作为钙粘蛋白超家族中最大的一类，主要表达在脊椎动物神经系统中[1]。哺乳动物中的cPCDH家族可以进一步分为Pcdha、Pcdhb、和Pcdhg三个亚类，并串联地分布在同一染色体上，在小鼠中cPCDH家族共包括58个成员。cPCDH家族之所以受到广泛关注，一方面是由于cPCDH通过启动子的随机选择机制产生成百上千亿的亚型表达组合，从而可能使每个神经元的细胞表面都有一个特有的cPCDH的分子标签；另一方面是cPCDH只能通过严格的相同亚型的相互识别和作用，来发挥其功能。cPCDH的这些特点，可支持单个神经元的神经突识别“自我”和“非我”，从而使来自于同一神经元的神经突相互排斥，进而使神经元最大程度上占据信息接收和输出的范围。但是，cPCDH是否调控以及如何调控大脑新皮层数量巨大种类繁多神经元之间的相互识别，进而调控它们的精确排布和环路组装仍然未知，对于这一重要科学问题的解答对理解大脑结构和功能有着非常重要的意义。

2022年12月7日，清华大学生命科学学院、IDG-麦戈文脑科学研究院、生命科学联合中心、生物结构前沿研究中心时松海教授课题组在Nature杂志以长文形式在线发表了题为“Patterned cPCDH expression regulates the fine organization of the neocortex”的研究论文，并在Nature Research Briefing专栏以题为“A protein pattern to regulate the positions and connections of neuronal cells”的简报形式同时在线报道了该研究成果。该研究首次揭示了细胞表面分子 cPCDH在大脑新皮层兴奋性神经元中的组合表达呈现规律性，并且这种规律性表达调控新皮层神经元的单细胞水平精细空间结构排布和功能神经环路组装，为深入理解大脑结构和功能提供了全新的分子机制。

过去对于cPCDH的研究主要集中在小脑、视网膜和嗅球等神经组织，而对其在大脑神经细胞中的表达模式以及是否介导神经细胞的识别，仍不清楚。为了研究cPCDH家族在大脑新皮层兴奋性神经元中的表达模式，同时又能明确地识别兴奋性神经元的发育起源和空间排布，研究人员建立起了一套活体单细胞水平上，结合细胞谱系示踪[2,3]和单细胞mRNA深度测序系统，解析cPcdh表达特性的方法。通过研究发现，小鼠大脑新皮层兴奋性神经元cPcdh亚型的表达属于组合式的表达模式。更有趣的是，通过定量分析成对的谱系相关（来源于同一个神经干细胞）的兴奋性神经元表达cPcdh亚型的相似度（亚型的表达种类和表达量），发现谱系相关的兴奋性神经元表达cPcdh亚型的相似度显著高于非谱系相关的兴奋性神经元；同时随着谱系发展的推进，谱系相关的兴奋性神经元表达cPcdh亚型的相似度逐渐降低，而非谱系相关的兴奋性神经元表达cPcdh亚型的相似度没有明显变化。这些结果表明大脑新皮层兴奋性神经元cPcdh的表达模式是与其神经元发育史紧密联系在一起的。另外，通过分析兴奋性神经元在大脑皮层中的空间分布，研究人员发现呈水平分布的谱系相关兴奋性神经元，并且水平距离相对较远时，表达cPcdh亚型的相似度越高。这一结果表明大脑新皮层兴奋性神经元cPcdh的表达与其空间位置排布是紧密关联的。这一系列的研究第一次提示了cPcdh的表达不是随机的，而是是有规律性的。这种规律性表达促使研究人员进一步思考cPCDH是否直接调控大脑新皮层兴奋性神经元之间的相互识别和空间排布。

为了回答这一问题，研究人员利用小鼠遗传学结合细胞谱系示踪技术，通过全脑三维重构精准分析大脑新皮层中谱系相关的兴奋性神经元的空间位置排布。研究人员发现在敲除PCDHγ之后，谱系相关的兴奋性神经元的分布在水平方向上出现明显聚集；相反，过表达cPCDH其中一个亚型PCDHγC3，谱系相关的兴奋性神经元的分布在水平方向上明显分散（图1）。这些结果有力地说明了cPCDH可以调控大脑新皮层兴奋性神经元的精准空间结构排布。

图1 cPCDH的表达改变导致谱系相关的兴奋性神经元在空间分布上的显著变化

（图源：Lv X, et al., Nature, 2022）

课题组前期的一系列研究工作发现谱系相关的兴奋性姐妹神经元之间优先形成电突触和化学突触连接[4-6]。结合谱系示踪和多通道全细胞脑片电生理技术，研究者发现，在敲除PCDHγ之后，大脑新皮层谱系相关的兴奋性神经元之间的突触连接显著增加；相反，过表达PCDHγC3之后，谱系相关的兴奋性神经元之间的突触连接显著降低。这些结果表明cPCDH调控大脑新皮层兴奋性神经元的精准突触连接。

图2 cPCDHs在大脑新皮层兴奋性神经元中的表达规律和工作模式

（图源：Lv X, et al., Nature, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

该研究工作结合遗传学、神经细胞发育谱系荧光标记示踪、单细胞表达深度测序、全脑三维重构以及神经细胞嵌合式的功能性分析等，揭示了cPCDH在神经元中的表达新模式，即在大脑新皮层兴奋性神经元中cPCDH亚型的组合表达不是随机的，而呈现与神经元发育史和空间位置紧密关联的表达规律，进而在单细胞水平调控神经元的精细空间分布和突触连接（图2）。神经细胞的精细组织对神经系统功能的正确发挥至关重要。对于cPCDH在大脑新皮层兴奋性神经元中的表达模式和调控机制是否适用于大脑中的其他神经细胞类型，仍然不清楚。此外，诸多研究表明，cPCDH的表达异常与多种神经系统疾病（如自闭症、唐氏综合症、情感障碍、精神分裂症等）紧密相关[7]，因此，未来系统性定量解析cPcdh家族成员在不同脑疾病相关组织中表达模式以及其对功能神经网络组装和运行的作用和影响变得极为关键。对于这些关键问题的解答，将为理解这些脑重大疾病的致病机理提供新的认知，同时也为其诊断治疗提供新的思路和靶点。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05495-2

清华大学生命科学学院时松海教授为该论文通讯作者。本研究得到上海交通大学系统生物医学研究院吴强教授课题组的大力支持。清华大学IDG-麦戈文脑科学研究院/美国纪念斯隆凯特琳癌症研究中心吕晓辉博士与清华大学生命科学学院/生命科学联合中心李硕博士为本文共同第一作者。本研究受到科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金、北京市卓越青年科学家计划、北京市科技委员会科技计划、北京脑与类脑研究中心、清华-北大生命联合中心、北京市结构生物学高精尖创新中心、生物结构前沿研究中心和美国西蒙基金等项目的支持。

通讯作者：时松海 教授

(图片提供自：清华大学时松海实验室)

通讯作者简介（上下滑动阅读）

时松海，清华大学生命科学学院、清华大学-IDG/麦戈文脑科学研究院，教授/院长。课题组长期致力于通过运用神经生物学（如电生理和成像）、遗传学、分子、细胞和发育生物学等方法研究哺乳动物大脑的组装和运行机制，集中于活体神经干细胞的调控、神经细胞的产生分化迁移、神经环路的精准组装和运行、以及动物行为的神经基础；同时致力于与神经发育和功能相关的重大疾病如小脑症和自闭症的致病机制研究。研究成果主要发表于Nature、Science、Cell、Nature Neuroscience、Neuron等国际主流期刊上。

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参考文献（上下滑动阅读）

1. Wu, Q. & Maniatis, T. Cell 97, 779–790 (1999).2. Gao, P. et al. Cell 159, 775–788 (2014).3. Lv, X. et al. Nat Commun 10, 3946 (2019).4. Yu, Y.-C., Bultje, R. S., Wang, X. & Shi, S.-H. Nature 458, 501–504 (2009).5. Yu, Y.-C. et al. Nature 486, 113-117 (2012).6. He S, Li Z, Ge S, Yu YC, & Shi S.-H. Neuron86, 1159-1166 (2015).7. Jia, Z. & Wu, Q. Front. Neurosci. 14, 587819 (2020).

本文完