Nature、Cell等研究揭示大脑发育与结构的奥秘 | 时空简讯15期

时空简讯第15期。

本期遴选了9篇Nature、Cell 等顶级期刊发表的，在单细胞水平和/或组织空间原位研究大脑皮层发育与结构、大脑解剖脑区结构的论文，总结了其研究思路和主要发现，供参考。

人类

Human

汤富酬课题组：人类胚胎大脑皮层22个脑区的单细胞转录组图谱

Cell Research [IF: 25.617]

① 对人类妊娠中期胚胎（22、23周）的22个脑区进行scRNA-Seq，获得4,213个细胞数据（主要为神经元、神经胶质细胞和非神经细胞），鉴定出29个细胞亚群，确定了与相应亚群生物学功能相关的独特表达特征，如细胞周期、TF网络（IF netwoks）和代谢；

② 与已有研究数据对比，发现妊娠中期胚胎神经元和成人神经元之间存在显著差异（如成熟度不同；特异性表达方向相反，前者与细胞代谢有关，后者富含神经元信号基因），胚胎抑制性神经元与胚胎兴奋性神经元相比，表现出成熟延迟；

③ 原位杂交技术、RNA-seq和不同神经元亚簇的皮层区域分析，观察到不同大脑皮层区域的成熟过程不同步，反映了发育的空间区域差异；

④ 检测了已知高可信度自闭症谱系障碍（high-confifidence autism spectrum disorder，hcASD）基因（9个）和疑似ASD（probable ASD，pASD）基因（122个）的表达，在以上所有神经元亚簇中均鉴定出9个hcASD基因的全部表达（CHD8、SCN2A、KATNAL2、POGZ、DYRK1A、ANK2、GRIN2B、CUL3、TBR1），其中ANK2、SCN2A、POGZ是hcASD和pASD互作网络中的热点基因，此外网络分析鉴定了更多与hcASD基因相关的基因。（LYC/Lina）

胚胎脑的解剖和22个区域scRNA-Seq的方法示意图

Spatial transcriptomic survey of human embryonic cerebral cortex by single-cell RNA-seq analysis.

2018.06.04, DOI: 10.1038/s41422-018-0053-3.

研究文章；人，胚胎，大脑皮层，scRNA-seq，空间转录组；Xiaoying Fan, Ji Dong, Suijuan Zhong, Yuan Wei, Xiaoqun Wang, Jie Qiao, Fuchou Tang；北京大学, 北京大学第三医院，中国科学院生物物理研究所；中国

汤富酬课题组：胚胎多脑区域scRNA-seq揭示大脑皮层神经元时空发育过程

Science Advances [IF: 14.136]

① 收集妊娠早期到中期（9~28周）的人类胚胎脑组织样本，应用scRNA-seq获得14,239个单细胞数据，全面绘制了胚胎发育关键阶段的大脑皮层额叶（frontal lobe，FL）、顶叶（parietal lobe，PL）、枕叶（occipital lobe，OL）、颞叶（temporal lobe，TL）以及皮层下区域脑干（pons）的转录组图谱，鉴定了8种主要细胞类型及其亚型，并通过标记基因对关键的细胞类型（神经祖细胞、皮层兴奋性神经元细胞）进行了功能验证，表征了它们的细胞形态结构，揭示了大脑皮层各区域发育成熟的时序差异；

② 鉴定出NPC_1（neural progenitor cell，NPC）细胞为心室径向胶质细胞，NPC_2细胞为前体sub-RGs（oRGs），NPC_4细胞为中间祖细胞，并检测到一个新的、人类特有的瞬时NPCs亚群（NPC_3），该亚群特异性地富集在11~14孕周胚胎皮层的增殖区域；

③ 在24周的FL神经元中检测到动作电位信号，说明FL神经元较PL、TL、OL更早具备了电生理活性；

④ 大脑皮层和pons神经元在分子调控和发育模式上表现出明显的时空差异，pons神经元发育和成熟的更早；

⑤ 通过人和小鼠大脑皮层发育过程比较，发现两者皮层细胞发育模式保守，并且NPC_3和内皮信号基因APOLD1是人类特有的。（刘卓雅）

样本采集和数据分析示意图

Single-cell transcriptome analysis reveals cell lineage specification in temporal-spatial patterns in human cortical development.

2020.08.21, DOI: 10.1126/sciadv.aaz2978.

研究文章；人，大脑皮层，脑干，神经细胞，scRNA-seq，空间转录组；Xiaoying Fan, Yuanyuan Fu, Xin Zhou, Le Sun, Ming Yang, Jie Qiao, Xiaoqun Wang, Fuchou Tang; 北京大学, 北京大学第三医院, 中国科学院生物物理研究所，中国

人类大脑皮层发育过程中神经中间祖细胞的多样性

Proceedings of the National Academy of Sciences [IF: 11.205]

① 表征了人类大脑皮层发育过程中的神经中间祖细胞（neural intermediate progenitor cells，nIPCs）转录组学和形态多样性的变化，鉴定了发育过程中的nIPCs亚型的构成图谱；

② scRNA-seq分析了5个妊娠8~22周胚胎的大脑皮层样本细胞，确定了并通过免疫组化验证了nIPCs的5种亚型：3个表达神经源性基因的神经元样nIPC簇、1个放射状胶质样nIPC（RG-like nIPCs）簇、1个DLX5⁺ nIPC簇；

③ 在19/20孕周左右时，大脑皮层中nIPCs的空间分布出现突然改变，表明神经发生后期的细胞分布和组织发生了明显改变；

④ 大多数nIPC亚型普遍存在于神经发生早期，而DLX5⁺ nIPCs出现在神经发生后期，即出现在时空转变中；

⑤ 量化重建SOX2表达状态，分析nIPC转录组亚型和形态学之间的对应关系，观察到与特定转录组亚型无关的nIPC形态多样性，指出根尖表面接触、长根尖突或长双极突不能作为识别放射状胶质细胞的唯一基础。（张书琪/Lina）

IPCs的转录组亚型与神经发育和细胞形态的关系

Human intermediate progenitor diversity during cortical development.

2021.06.29, DOI: 10.1073/pnas.2019415118.

研究文章；人，大脑皮层，胚胎，发育，神经中间祖细胞，形态，空间转录组， scRNA-seq；Mark-Phillip Pebworth，Arnold R. Kriegstein；University of California; USA.

鼠

Mouse

小鼠神经系统各种细胞类型的分子图谱

Cell [IF: 41.582]

① 应用scRNA-seq对小鼠整个神经系统（脑、脊髓、交感神经、背根神经节、肠神经系统）进行全面普查，获得约50多万个单细胞转录组数据，确认了265种不同的细胞类型/亚群，其中包括200多种不同的神经元，绘制了更清晰的区域细胞多样性图谱，为哺乳动物神经系统提供了参考图谱；

② 提出一个数据驱动分子分类方法，将不同类型的细胞划分排列在70多个命名分类群中，该分类法为探索哺乳动物神经系统的整体结构提供了一个客观的结构原则；

③ 鉴定到7种不同的、受区域限制的星形胶质细胞：小脑的Bergmann神经胶质细胞(ACBG)、嗅觉特异性星形胶质细胞 (ACOB，与嗅觉鞘细胞无关）、端脑特异性星形胶质细胞的两种亚型 (ACTE1和ACTE2)、非端脑星形胶质细胞的两种亚型 (ACNT1和ACNT2)、中脑背侧的一个表达Myoc的星形胶质细胞（ACMB）；

④ 分子和解剖学上，7种不同的、受区域限制的星形胶质细胞具有明确发育边界，且与关键谷氨酸和甘氨酸神经递质的空间分布相关，而少突胶质细胞表现出区域特征的丧失，随着发育成熟进行次级多样化（secondary diversifification）；

⑤ 不同大脑区域的神经元多样性是相似的，但可通过发育解剖单位和神经递质、神经肽的表达进行区分，这种差异由编码细胞身份、突触联系、神经传递和膜电导的基因所驱动。（宓晓晴）

研究涉及的小鼠神经器官和组织

Molecular architecture of the mouse nervous system.

2018.08.09, DOI: 10.1016/j.cell.2018.06.021.

研究文章；小鼠，神经系统，脑，脊髓，交感神经，背根神经节，肠神经，星形胶质细胞，胶质细胞，scRNA-seq；Amit Zeisel, Sten Linnarsson; Karolinska Institute；Sweden.

成年小鼠大脑的基因调控元件图谱

Nature [IF: 49.962]

① 大脑皮层运动神经元图谱景观以及数据库联盟（Brain Initiative Cell-Census Network，BICCN）绘制全脑图谱的系列研究成果之一——成年鼠脑细胞转录调控图谱的绘制（http://catlas.org/mousebrain）；

② 高精度的解剖分离获得小鼠（8周，雄性）的大脑的同形皮层、嗅球、海马和大脑核（包括纹状体和苍白球）的45个组织解剖区域（每区域约600μm厚），进行单核（single-nucleus，sn）ATAC测序，获得超过80万个单细胞核的snATAC数据，绘制了160种不同细胞类型中491,818个候选顺式调控DNA元件（candidate cis-regulatory elements，cCREs）的染色质可及性图谱；

③ 不同细胞类型存在cCREs染色质可及性差异，比如SSTGA10亚型神经元相对于其他SST（Sst⁺）神经元出现锌指转录因子家族KLF明显富集，整合RNA表达和motif富集分析，阐明了神经发生过程不同调控因子间的相互作用；

④ 与已发表鼠脑scRNA-seq数据联合分析，共鉴定出813,638对基因-cCRE对，距离均在500 kb范围内，共有129,404对正相关的cCRE（推测为增强子）和基因；

⑤ 小鼠基因进行同源转化后，对20个神经traits与snATAC进行连锁分析，发现重度抑郁症、双相情感障碍和精神分裂症（schizophrenia，SCZ）在各种不同神经元细胞类型中具有特异性cCREs变化，而注意缺陷多动障碍和自闭症谱系障碍与大脑核和海马中的特定神经元细胞类型（GABAergic和谷氨酸能神经元）的cCREs有关。（黄映萍）

小鼠大脑解剖示意图及不同脑区的细胞类型

An atlas of gene regulatory elements in adult mouse cerebrum.

2021.10.06, DOI: 10.1038/s41586-021-03604-1.

研究文章；小鼠，大脑，神经系统，snATAC-seq，表观组学；Yang Eric Li, Sebastian Preissl, Bing Ren; Ludwig Institute for Cancer Research, University of California San Diego, USA.

大脑皮层中神经胶质祖细胞多样性、发育和胶质瘤发生机制

Cell Stem Cell [IF: 24.633]

① 从初生小鼠大脑皮层中，流式细胞仪（FACS）分选出潜在的星形胶质细胞和少突胶质前体细胞（oligodendrocyte precursor cells，OPCs），并分谱系进行scRNA-seq，揭示了正常神经胶质祖细胞与恶性神经胶质祖细胞的共有和差异的分子和细胞动力学；

② 单细胞分析显示，GFP⁺细胞群包括星形胶质细胞、OPCs和神经母细胞，并发现了一个与已知的星形胶质细胞和少突胶质细胞相关的过渡态祖细胞群（intermediate glial progenitor cells，iGCs），揭示了神经胶质祖细胞中间体不同的发育轨迹和增殖潜力；

③ 基于差异表达基因、靶点结合潜力和细胞簇关系的机器学习，识别细胞谱系驱动的转录因子，鉴定出一种RNA结合蛋白Zfp36l1，发现其对于少突胶质细胞-星形胶质细胞谱系转变和胶质瘤发生至关重要；

④ 小鼠胶质母细胞瘤模型（murine model of glioblastoma，GBM）肿瘤组织scRNA-seq分析，发现pri-OPC不成比例地促进了胶质瘤的形成，pri-OPC重新编程和扩增进入茎样状态而经历表型转换，易进一步发生肿瘤恶化。（郭欣雨）

神经胶质瘤发生过程及细胞多样性

（NSC：神经干细胞；RG：放射状胶质细胞）

Single-cell transcriptomics uncovers glial progenitor diversity and cell fate determinants during development and gliomagenesis.

2019.05.02, DOI: 10.1016/j.stem.2019.03.006.

研究文章；小鼠，大脑皮层，流式分选，星形胶质细胞，少突胶质细胞，细胞命运，scRNA-seq；Qinjie Weng, Jincheng Wang, Jiajia Wang, Danyang He, Q. Richard Lu; Cincinnati Children’s Hospital Medical Center, 浙江大学, 复旦大学儿童医院；USA, 中国

小鼠脑背腹侧轴的下托和前下托的细胞类型构成和神经回路差异

Cell Reports [IF: 9.423]

① scRNA-seq分析发现，小鼠脑下托（subiculum，Sub）和前下托（prosubiculum，PS）是两个不同的区域，具有不同的转录组细胞类型、神经回路和背腹侧范围，这对于神经元和注射部位准确定位，以及历史数据解释至关重要；

② 绘制了1个专门针对谷氨酸能神经元的树状图（包括2,182个SMART-seq和14,880个10X细胞），通过共识聚类鉴定了位于下托、前下托和海马-杏仁核过渡区（hippocampo-amygdaloid transition area，HA）的27种细胞类型及其空间位置；

③ 利用3个区域（Sub、PS、HA）的特定细胞类型的基因标记，沿着整个背腹侧轴准确地勾画了它们之间的边界，发现背侧和腹侧亚区域分别主要由Sub和PS占据；

④ 利用不同的Cre细胞系示踪发现，Sub对空间处理和导航有明显的地形投射，而PS在许多与奖励、情感、压力和动机相关的皮层下区域有广泛的投射。（刘雪梅/Lina）

主要发现示意图

Distinct transcriptomic cell types and neural circuits of the subiculum and prosubiculum along the dorsal-ventral axis.

2020.05.19, DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107648.

研究文章：小鼠，脑，下托，前下托，神经回路，scRNA-seq；Song-Lin Ding；Allen Institute for Brain Science, USA.

中缝背核的分子与解剖组织研究

eLife [IF: 8.140]

① 利用inDrop单细胞转录组测序分析了8只小鼠（8~10周龄，雄雌各4只）中缝背核（dorsal raphe nucleus，DRN）的细胞组成，并结合原位杂交、解剖定位与空间建立关联等方法，绘制了小鼠DRN细胞的转录和空间谱，将细胞类型的特征表达谱与解剖特征联系起来；

② 确定了至少有18种不同的神经元亚型和5种不同的5-羟色胺能（5-HT）神经元亚型具有不同的分子和解剖特性，此外还基于基因表达谱揭示了神经元和非神经元细胞类型的组织原理；

③ 阐明了不同的5-HT和非5-HT子系统的结构，为进一步解剖DRN及研究其功能奠定了基础。（胡杰）

inDrop平台的scRNA-seq示意图

Molecular and anatomical organization of the dorsal raphe nucleus.

2019.08.14, DOI: 10.7554/eLife.46464.

研究文章；小鼠，脑, 中缝背核，神经元，inDrop，scRNA-seq；Kee Wui Huang, Bernardo L Sabatini; Howard Hughes Medical Institute, Harvard Medical School; USA.

小鼠腹侧下丘脑后区的细胞分类与空间组织

eLife[IF: 8.140]

① 采用基于液滴的scRNA-seq方法，研究了小鼠腹侧下丘脑后区（ventral posterior hypothalamus，VPH）的细胞构成，解析了不同VPH回路在生理和行为（健康、疾病状态下）中的作用；

② 对雄性和雌性幼年小鼠VPH 16,000个单细胞转录组聚类分析，鉴定出18个非神经元簇和20个不同的神经元簇，其中后者包括13个谷氨酸能神经元，6个γ-氨基丁酸能神经元（GABAergic），1个（簇17）与组氨能神经元的特征最匹配的神经元；

③ 多重荧光原位杂交（FISH）分析和艾伦大脑研究所的原位杂交（ISH）数据，验证了在已识别神经元群体中差异表达的基因；

④ 聚焦于乳头体（mammillary bodies，MB），发现不同的神经元亚型受限于解剖学上分割的隔断层，利用3个基因（Slc17a6-Cre、Nts-Cre、Calb1-Cre）的表达特征可在MB中对神经元群体精确定位到解剖位置。（张珊/Lina）

VPH显微解剖、单细胞分离、测序文库制备和生物信息学分析

Cellular taxonomy and spatial organization of the murine ventral posterior hypothalamus. 2020.10.29, DOI: 10.7554/eLife.58901.

研究文章；小鼠，下丘脑，神经元细胞，scRNA-seq; Laura E Mickelsen, William F Flynn, Paul Robson, Alexander C Jackson; University of Connecticut; USA.

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2022年6月30日下午14:00到16:00，深圳华大生命科学研究院将举办脑科学专题线上研讨会，请持续关注。

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