脑科学时空组学技术指导手册 | 时空简讯第7期
时空简讯第7期。
综述
Review
Neuron综述:脑科学时空组学技术指导手册
Neuron [IF:17.173]
① 讨论了单细胞转录组和表观基因组的基本原理、数据的综合计算分析,以及在神经科学中的关键应用;
② 着重总结了决定单细胞转录组和表观基因组测序的分辨率和应用范围的基本原则;
③ 综述了分析和解析单细胞测序数据的关键计算技术;除了对神经科学家来说可能陌生的生物信息学方法,还介绍了在单细胞数据分析中发挥重要作用的电生理学和显微镜数据的计算技术;
④ 单细胞转录组学在神经科学中多用于研究不同神经细胞的基因表达差异、神经细胞发育节点及通路研究;
⑤ 与经典生物信息学相比,计算神经科学强调综合建模而不是假设检验,在理解复杂的生物数据集方面有着独特的视角和认识,这种神经科学的观点可以启发单细胞基因组学提供丰富信息的新方法。(李晓宇)
单细胞测序技术在神经生物学研究中的场景
Single-Cell Sequencing of Brain Cell Transcriptomes and Epigenomes
https://doi.org/10.1016/j.ccell.2021.07.004.
综述,人,小鼠,脑细胞,神经科学,发育,单细胞转录组学,单细胞表观组学,Ethan J. Armand, Junhao Li, Fangming Xie, Eran A. Mukamel, University of California
Diabetes综述:单细胞绘制肠促胰岛素调节代谢和能量平衡的中枢机制
Diabetes [IF: 9.461]
① 后脑的迷走神经背侧复合体(dorsal vagal complex, DVC)由尾区、孤束核和迷走背运动核组成,对饱足感的调节起着关键作用;肠促胰高血糖素样肽1 (GLP-1)和葡萄糖依赖的促胰岛素多肽(GIP)直接在大脑中作用,调节喂养,两者的受体在DVC中表达;
② 了解肠促胰岛素改变代谢和能量平衡的中枢机制是至关重要的,本文综述了最近用于检测DVC中GLP-1和GIP受体表达细胞的单细胞分子标记方法,已证实GLP1R在谷氨酸能神经元中表达,GIPR在AP(area postrema)的GABA能神经元中表达;
③ 并综述和讨论了如何将新兴的单细胞转录组学、空间转录组学、表观遗传学和回路绘制(circuit mapping)技术用于表征后脑肠促胰岛素受体回路;
④ 由于单细胞核转录组(snRNA-Seq)对冷冻组织的适用性,且细胞核在全细胞分离时受到的影响较小,推荐snRNA-Seq作为后脑单细胞研究的首选方案;
⑤ 已通过scATAC-Seq技术,从可接近的染色质位点丰富的转录因子结合位点中,鉴定出参与建立和维持胰岛素受体细胞特性的潜在转录因子。(刘卓雅)
肠促胰岛素受体DVC细胞单细胞转录组和表观组
Single-Cell Mapping of GLP-1 and GIP Receptor Expression in the Dorsal Vagal Complex
2021.06.27, DOI: 10.2337/dbi21-0003.
综述,脑,迷走神经背侧复合体,GLP-1,GIP,受体,空间转录组,单细胞转录组, Mette Q. Ludwig, Tune H. Pers, University of Copenhagen, Denmark
脑图谱-小鼠
Brain Atlas-Mouse
空间+长读长单细胞转录组:涵盖可变剪切的大脑空间表达图谱
Nature Communications [IF:14.919]
① 出生后7天小鼠的海马体和前额皮质的45种细胞类型单细胞长读长测序发现,大脑区域的细胞类型对特定剪切亚型的表达(DIE)具有影响(www.isoformAtlas.com);
② 短读长测序聚类鉴定到海马体区域8个神经胶质细胞类型,前额皮质区域7个神经胶质细胞类型,并鉴定出395个DIE相关基因;
③ 同一解剖结构的细胞类型展现不同的DIE,即大脑区域可通过微环境影响基因的表达。
④ 利用空间转录组结合单细胞数据量化了空间分辨率的差异剪切表达,显示与单细胞方向一致的剪切差异。(Trans F)
研究技术路线和结果概览图
A spatially resolved brain region- and cell type specific isoform atlas of the postnatal mouse brain
2021.01.19, DOI: 10.1038/s41467-020-20343-5
研究文章,模式生物,小鼠,大脑,可变剪切,空间转录组,长读长测序,单细胞长度长转录组,Anoushka Joglekar,Hagen U. Tilgner,Weill Cornell Medicine,USA
联合scRNA-seq、scATAC-seq和空间转录组等三大技术,探究小鼠大脑皮层发育轨迹
Nature [IF: 49.962]
① 大脑皮层最初阶段基本由AP (Apical Progenitors)和IP (Intermediate Progenitors)组成;不同时间点的转录组图谱,展示了大脑皮层发育过程中由AP到PN (Projection Neurons)和胶质细胞的梯度变化,E12.5后出现祖细胞到投射神经元的梯度变化;
② 四个时间点(E12.5、13.5、15.5和P1)空间转录组分析,并用Tangram技术将scRNA-seq细胞数据定位到空间位置上,发现细胞类型和基因表达都呈现时空梯度;
③ 联合scRNA-seq和scATAC-seq数据,利用URD技术、基于伪时序建立有分支的发育轨迹树,发现神经元的分化主要在有丝分裂后;
④ 寻找进化树分叉点的差异基因表达,打分并取每个分叉点前10名的基因作为伴随细胞分化的潜在基因,以备未来深入的功能研究;
⑤ Fezf2敲除后的小鼠AP、IP与对照小鼠一致但兴奋性神经元相关表达下调。(李晓宇)
鼠脑皮质的细胞图谱
鼠脑皮质细胞的定位图谱
Molecular logic of cellular diversification in the mouse cerebral cortex
2021.05.24, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03670-5
研究文章,小鼠,脑,大脑皮层,发育,单细胞转录组,空间转录组,染色质可及组,Daniela J. Di Bella,Aviv Regev,Paola Arlotta, USA, Harvard University
胚胎期:发育中鼠脑的空间转录组图谱
Nature [IF: 49.962]
① 对小鼠胚胎时期E7和E18每天的小鼠脑进行单细胞测序,同时对发育过程中的小鼠胚胎E10.5时期的小鼠脑的24个矢状面切片的119个基因进行原位杂交测序;
② 单细胞测序93个样品共计292495个细胞,每个细胞平均检测到1934个基因,构建了798个细胞亚群,通过细胞状态鉴定表征了大脑的发育程序;
③ 通过单细胞群与原位测序进行空间对应,将细胞群体进行更为精确的空间位置的定义,同时绘制了关键发育基因的空间表达模式,揭示了神经系统形成过程中神经前体细胞的空间组织。(李珊珊)
脑神经系统发育图谱
Molecular architecture of the developing mouse brain
2021.07.28, DOI: 10.1038/s41586-021-03775-x
研究文章,小鼠,脑,发育生物学,单细胞转录组学,空间原位杂交测序,Gioele La Manno, Peter Lönnerberg, Sten Linnarsson
脑图谱-人
Brain Atlas-Human
大脑背外侧前额叶皮质基因表达空间图谱:单细胞数据的空间定位框架 (spatialLIBD)
Nature Neuroscience[IF: 24.884]
① 空间转录组鉴定人类皮层中新的皮层富集基因,证实与不同皮层富集相关的典型标记基因,找出新的与皮层富集相关的差异表达基因;
② 提出空间配准框架,并验证可利用任何现有的snRNA-seq或scRNA-seq数据集定位相应解剖信息;
③ 将人DLPFC层富集基因的表达纳入风险基因解释,突出这些数据在收集临床见解方面具潜在效用;
④ DLPFC数据可驱动皮层富集基因的分群,进而识别之前未知的细胞组织,也可应用于其他形态模式的人类组织或大脑结构;建立交互交流网站 (http://research.libd.org/spatialLIBD)。(阿多)
DLPFC空间表达定位策略和效果图
Transcriptome-scale spatial gene expression in the human dorsolateral prefrontal cortex
2021.02.08, DOI: 10.1038/s41593-020-00787-0.
研究文章,人,大脑背外侧前额叶皮质,空间转录组,单细胞转录组,Kristen R. Maynard,Keri Martinowich,Andrew E. Jaffe,USA,Johns Hopkins University
人类小脑发育细胞图谱为研究小脑发育与复杂疾病关系奠定基础
Nature Neuroscience [IF: 24.884]
① 空间上定义小脑神经区域:用主成分分析进行可视化、用阈值评估差异表达基因、用加权基因共表达网络分析 (WGCNA)鉴定出小脑细胞成分;
② 发育中的人小脑单细胞转录组分析鉴定出21类主要细胞类型,发现浦肯野细胞主导发育中的小脑原基;
③ 单细胞分辨率分析RL(rhombic lip)区室,鉴定RL细胞区室之间的分子表达差异;表征RL发育轨迹;
④ 检查人类和小鼠之间发育中的小脑细胞构成保守性,发现人和鼠细胞类型相似性非常高。(Cyto F)
研究方案图
Spatial and cell type transcriptional landscape of human cerebellar development
2021.06.17, DOI: 10.1038/s41593-021-00872-y
研究文章,人类,小脑,发育生物学,单细胞转录组,空间转录组,Kimberly A. Aldinger,Kathleen J. Millen,USA
脑肿瘤
Brain Turmor
上海交通大学:小鼠小脑颗粒细胞和髓母细胞瘤发育的共同和差异
BMC Biology[IF: 7.431]
① 颗粒神经元(GN)特异性标记小鼠(Math1-GFP;Dcx-DsRed小鼠)小脑scRNAseq分析,发现颗粒细胞主要有两个祖细胞亚群和两个分化神经元亚群,并用空间转录组定位了这些亚群在小脑中的位置;
② Patched +/-突变小鼠小脑单细胞RNA测序,比较分析正常发育的GN和肿瘤细胞之间的相似性和差异,发现髓母细胞瘤(MB)中转化的颗粒细胞与不同分化状态的发育中的颗粒神经元非常相似;
③ 然而,与正常发育的细胞相比,MB中转化的颗粒神经元祖细胞的分化趋势明显降低。(董天宇)
研究方案和单细胞图谱概览
Single-cell spatial transcriptomic analysis reveals common and divergent features of developing postnatal granule cerebellar cells and medulloblastoma
2021.06.01, DOI: 10.1186/s12915-021-01071-8.
研究文章,小鼠,小脑,颗粒细胞,髓母细胞瘤,单细胞转录组,空间转录组学,Wenqin Luo, Wei-Qiang Gao,Ru Yang,Jia Wang,中国, 上海交通大学
胶质母细胞瘤侵袭的代谢和转录特征
Acta Neuropathologica Communication[IF: 7.801]
① 胶质母细胞瘤(GBM,WHO IV 级)患者的管理仍然是一个挑战,胶质母细胞瘤是成人中最常见和最恶性的原发性脑肿瘤,目前依然缺少对此类病患的治疗手段;
② 研究使用原位小鼠胶质瘤模型,组织处理和免疫组化方法,结合小鼠原位异种移植体内HMRS(1H Magnetic Resonance spectroscopy)技术,通过PDOX (Patient derived orthotopic xenograft,患者源性原位异种移植物)、患者GBM进行RNAseq,最后进行数据的分析;
③ 对来自入侵小鼠大脑的表达特征的详细分析,揭示了免疫反应的入侵依赖性诱导程度,概括了在胶质母细胞瘤中观察到的各自特征;
④ 整合高侵袭性PDOX(Patient derived orthotopic xenograft)的代谢谱和基因表达,提供了对细胞外基质重塑的进展和侵袭相关机制的见解,可能有助于揭示肿瘤-宿主相互作用的潜在生物学过程,能够对生物相互作用提供新的见解,同时区分源自人类肿瘤和入侵小鼠大脑的贡献。(ZXY)
表. 研究患者、样本和RNA-seq信息
Abbrev: EGFR, epithelial growth factor receptor; hu Tu, human tumor; MVS, multi-voxel spectroscopy; Xeno, tumor Xenograft in the mouse brain.
Metabolic and transcriptomic profiles of glioblastoma invasion revealed by comparisons between patients and corresponding orthotopic xenografts in mice
2021.08.04, DOI: 10.1186/s40478-021-01232-4.
研究文章,小鼠,胶质母细胞瘤,侵袭,转录组,肿瘤-宿主相互作用, Cristina Cudalbu, Pierre Bady, Andreas F. Hottinger, Monika E. Hegi, CIBM Center for Biomedical Imaging, Swiss Institute of Bioinformatics, University of Lausanne, Switzerland
时空新技术
New technology
东南大学:脑组织切片处理和储存时间对转录本的影响
Analytica chimica acta[IF: 6.558]
① 大脑组织切片分别放置不同温度、不同时间后提取RNA,发现冷冻切片的储存温度和时间对RNA完整性和测序结果有显着影响,RNA质量会随温度的升高和存储时间的延长而下降,不同的储存温度或时间还可以引起基因差异;
② GC含量是二级结构稳定性的重要指标,稳定基因不受整体RNA完整性(即RIN值降低)的影响,可能是因为其GC含量高,有较多的二级结构;
③ 1%的甲酚紫染色可能通过防止组织再水化,抑制内源性RNases活性,从而起到保护 RNA的作用。(宓晓晴)
研究方案图
Effects of brain tissue section processing and storage time on gene expression
2021.02.15, DOI: 10.1016/j.aca.2020.10.046
研究文章,冷冻切片,基因表达,RNA完整性,转录组,Erteng Jia, Ying Zhou, Huajuan Shi, Min Pan, Xiangwei Zhao, Qinyu Ge, 中国,东南大学
精巧的切片策略+精细的计算:无成像分子断层扫描实现空间转录组 (STRP-seq)
Nature Biotechnology [IF: 54.908]
① 描述了一个无需专门仪器、无成像的空间重构框架,通过将样本切割成细条高通量读取数据、后续图像重建的方式来定位组织内的信息,从而将普通的RNA转录组转换为空间转录组学技术(STRP-seq),并将这一技术在小鼠大脑进行了验证;
② STRP-seq可准确恢复小鼠大脑的空间转录组,且可用于揭示组织异质性的分子组织;
③ STRP-seq可对稀有样本——蜥蜴大脑实现从头重建分子解剖结构,且可实现表征蜥蜴大脑中的区域特征;
④ 从大脑皮层分子解剖学的定量水平,比较爬行动物和哺乳动物大脑之间的关系。(Cyto F)
STRP-seq技术策略和原理示意图
Spatial tissue profiling by imaging-free molecular tomography
2021.04.19, DOI: 10.1038/s41587-021-00879-7.
研究文章,STRP-seq,大脑,转录组,空间重建,Halima Hannah Schede, Christian G. Schneider, Gioele La Manno, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland
编辑/力强
特别关注
11月25日下午15:00-16:30,深圳华大生命科学研究院顾颖副院长和中科院遗传发育所吴青峰研究员,针对模式动物脑部研究的成果及时空、单细胞技术在脑科学研究中的应用进行专题介绍(点击页面左下方“阅读原文”报名)。
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