一周内连发两篇顶刊：王晓群/吴倩合作揭示大脑及下丘脑发育特征

本周，中科院生物物理研究所 王晓群 课题组和北京师范大学 吴倩 课题组合作，在 Cell Stem Cell 和 Science 发表两篇研究论文，分别揭示了 人类下丘脑发育的时空动态特征 和 人脑中间神经元多样性的发育机制 。以下为具体介绍：

中间神经元 是大脑皮层中除兴奋性神经元之外的另一类重要的神经元，通过释放GABA调节兴奋性神经元的活动。中间神经元异常会打破神经网络中的兴奋-抑制平衡，从而导致癫痫、自闭症、精神分裂等多种神经精神疾病。大脑中的中间神经元在形态、基因表达、环路连接以及神经电生理活动模式等方面表现出了极其丰富的多样性，而中间神经元的多样性是大脑能够实现复杂而精细功能的基础。但是，目前对于人大脑中间神经元的多样性是如何发育及其基因调控机制的研究还很有限。因此，探究中间神经元的起源及其多样性的发育机制是目前神经科学领域亟待解决的核心科学问题之一。2021年12月10日，中国科学院生物物理研究所 王晓群 研究员与北京师范大学 吴倩 教授联合伦敦国王学院 Oscar Marin 教授在 Science 上发表了题为： Mouse and human share conserved transcriptional programs for interneuron development  的研究论文。该研究系统深入地解析了人脑中间神经元的起源、谱系发育及其多样性的分化调控机制，并通过与小鼠中间神经元的发育机制进行比较，揭示了中间神经元发育过程的转录调控机制在进化上的保守性和特异性。人脑神经节隆起产生的神经元多样性及不同神经元的发育轨迹大量的研究证实，中间神经元起源于位于腹侧端脑的神经节隆起 （GE, ganglionic eminence） 。神经节隆起根据解剖位置的不同，又可以分为内侧 （MGE） 、外侧 （LGE） 和尾侧神经节隆起 （CGE） 。在本研究中，研究人员收集了人类妊娠期9-18孕周的神经节隆起样品，系统探究了人脑中神经节隆起产生的神经元的多样性，揭示了不同神经元谱系的发育轨迹及其多样性形成的分子调控机制。本研究首先基于细胞类型特征基因的表达情况，区分出了神经节隆起中的神经祖细胞以及分裂后的神经元，而后者基于基因表达差异又可以进一步区分为MGE，LGE及CGE细胞。基于此，本研究确定了区分神经节隆起中神经祖细胞及分裂后神经元，以及区分MGE, LGE及CGE细胞的特征性基因表达。与皮层中的神经祖细胞类似，腹侧端脑GE中的神经祖细胞也包括放射状胶质细胞 （RGCs） 及中间神经元祖细胞 （IPCs） 。研究人员综合转录组分析及实验验证揭示了人脑GE中RGC和IPC细胞的多样性以及空间分布特征, 并进一步探究了GE中的神经祖细胞区域化特征及其多样性形成的分子机制。此外，研究还发现RGC主要集中于VZ区域，而丰富的IPC细胞则分布于扩大的SVZ区域，说明了人脑神经节隆起SVZ区域的扩大是由于IPCs 而非RGCs数量的大量增加而导致的，这与皮层扩大的机制是不同的。啮齿类动物的研究表明，MGE、LGE和CGE 分别产生分布于不同脑区的不同种类的神经元。但是，关于人脑中神经节隆起产生的神经元类型的多样性，以及不同神经元类型的发育谱系及其调控机制，目前尚不清楚。为了回答这一问题，研究人员接下来系统地探究了MGE及LGE细胞的多样性、发育潜能、不同神经元谱系的发育轨迹及其分子调控机制。研究人员通过将分裂后的MGE及LGE细胞与各自的神经祖细胞开展联合分析，绘制了人脑中MGE及LGE起源的不同神经元谱系的发育轨迹。通过此研究发现人脑中的MGE细胞主要分化为皮层及海马中的中间神经元及皮层下脑区的GABA能及胆碱能神经元，以及小一群特异性表达CRABP1及NKX2-1的神经元；而与啮齿类类似，LGE 则向嗅球中间神经元及纹状体投射神经元方向分化，而后者又可以进一步细分为2种D1和1种D2 多棘投射神经元，分别参与纹状体直接通路及间接通路。种类多样性是中间神经元一个最显著的特征。但是，关于人脑中间神经元多样性产生的时间和空间信息仍不清楚。目前并不明确中间神经元的多样性在发育初期处于前体细胞状态时就已经确定还是迁移并进入最终的脑区位置之后受微环境的影响才逐渐建立的。在本研究中，研究人员通过将胚胎期的MGE细胞与成体皮层中的LHX6+成熟中间神经元的单细胞测序数据进行整合分析，揭示了MGE中间神经元的多样性在它们在神经节隆起产生的初期，仍处于前体细胞状态时就已经确定。中间神经元在腹侧端脑的神经节隆起产生之后，需要进入不同的迁移路径，进而精准地进入目标脑区并参与其环路建立。而中间神经元多样性的提前确定对于指导中间神经元准确地进入迁移路径，进而精准地参与环路建立是极其重要的。2018年，Mi等 （Science, 2018） 和 Mayer等 （Nature, 2018） ，探究了小鼠胚胎发育期中间神经元多样性的形成机制。本研究所解析的调控人脑中间神经元发育的基因调控机制与 Mi和Mayer等报道的小鼠中间神经元的调控机制呈现出了高度的相似性。尽管中间神经元的发育调控机制在进化上呈现出了高度的保守性，但是大量的研究证实，与啮齿类比较，人脑中的中间神经元在数量及类别上均呈现出了更大的丰富性，而人脑中间神经元丰富的多样性极大地推动了脑功能的复杂化及高级认知情感的形成。那么，在胚胎发育期，是否可以在神经节隆起中找到在人脑中特异性存在的中间神经元前体细胞类型？为了回答这个问题，本研究将人及小鼠的神经节隆起中的中间神经元前体细胞的单细胞转录组测序数据进行了整合比较并展开了生物学验证，发现了MGE起源的CRABP1+NKX2-1+，以及CGE起源的SCGN+CALB2+两种在人脑中特异性存在的中间神经元前体细胞类型。此外，这两种神经元不仅在发育过程中存在，研究人员也在成年人的大脑皮层中检测到了这些神经元。综上，本研究系统解析了人脑中间神经元的发育规律及其多样性形成的分子调控机制，揭示了人脑中间神经元的多样性是提前确定的，以及中间神经元发育调控机制在进化上的保守性。此外，本研究还发现了人脑中特异性存在的中间神经元前体细胞类型，揭示了人脑中间神经元相较于其他物种的丰富性及多样性，这可能是人类在进化中能够脱颖而出并拥有丰富的情感和自我认知的基础，并为自闭症及精神分裂症等中间神经元异常疾病的病理机制及其探究新的治疗方法奠定了重要基础。中科院生物物理研究所王晓群研究员、北京师范大学吴倩教授和伦敦国王学院Oscar Marin教授为该论文的共同通讯作者。生物物理研究所时颖超副研究员，王梦迪博士研究生与清华大学米达教授为该论文的共同第一作者。本研究得到国家重点研发计划、中科院先导专项、国家自然科学基金等项目的支持。下丘脑 由形态及功能各异的多种神经细胞亚型聚集而成，具有高度异质性，对机体的生理活动、稳态调节具有重要作用。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。我们之前的工作发现了在哺乳动物下丘脑存在类似于皮层oRG细胞的hmRG细胞，这群细胞是一种新发现的神经干细胞，在下丘脑发育中有着重要的作用 （Zhou et al., Nature Communications, 2020） ，但是对于人下丘脑核团类结构的空间架构及细胞多样性产生的细胞及分子机制仍不是很清楚。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 Stem Cell 在线发表了题为： Deciphering the spatial-temporal transcriptional landscape of human hypothalamus development  的研究论文。

该研究系统深入的揭示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。图1：系统刻画人类下丘脑发育的细胞谱系和基因调控特征基于前期的工作积累，研究人员利用单细胞测序技术更加系统刻画了人下丘脑发育的细胞和分子空间动态景观，并鉴定细胞亚群和基因表达特征。通过细胞聚类和发育轨迹分析，阐明下丘脑神经干细胞类型的多样性，主要体现在分子表达、空间分布、成熟状态和分化潜能等方面的差异。在该研究中，我们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。图2: 不同神经干细胞亚型的基因调控网络研究人员进一步的研究揭示了人类下丘脑神经干细胞在神经元发生和神经胶质生成的时序特征，揭示了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。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，分化成少突胶质细胞群体和星形胶质细胞，并显示出与神经元空间发育的不同步性。此外，该团队鉴定了人类下丘脑不同类型的少突胶质细胞亚类和分子表达特点，表征少突胶质细胞谱系分化具有早、晚两个发育轨迹，不同发育阶段的少突胶质细胞具有较高异质性。通过细胞间互作和差异表达基因富集分析，表明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。图3: 下丘脑神经元和胶质细胞亚型发育的时序特征最后，通过跨物种比较分析，研究人员发现与小鼠相比，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。总之，这项研究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。北京师范大学吴倩教授、中科院生物物理所王晓群研究员和首都医科大学附属安贞医院张军教授为论文的共同通讯作者。北京师范大学周新副研究员、生物物理所博士后卢玉峰和安贞医院研究生赵方圻为论文共同第一作者。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6641

https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.11.009

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