Nature重磅！单细胞转录组助力揭示发育中小鼠大脑的分子结构特征
2022-07-27
中科新生命
2326
哺乳动物大脑发育过程极其复杂，包括形态发生、细胞间相互作用和内在的遗传程序，最终形成不同的细胞类型。单细胞转录组和空间组学解析组织细胞异质性的能力，特别适合在大脑发育的整个过程中对细胞状态进行系统地研究。来自瑞典的研究人员在Nature上发表题为“Molecular architecture of the developing mouse brain”的文章。该文章系统性地描绘了小鼠胚胎从原肠胚形成到分娩之间大脑发育的完整单细胞转录组图谱，确定了近800种细胞类型，并且描述了这些细胞的发育过程。结合原位杂交技术绘制了关键发育基因的空间表达图谱，揭示了神经系统发育过程中神经祖细胞的准确空间位置。
研究材料
选择了小鼠胚胎第7至第18天（E7-E18）不同部位，共93个样本
技术路线 步骤1：取E7-E16的93个样本进行单细胞检测，并构建了细胞图谱； 步骤2：对神经元类细胞进行亚群再分析； 步骤3：对非神经元类细胞进行亚群再分析; 步骤4：通过ISS检测对单细胞数据进行空间定位验证。
研究结果 1. 通过单细胞转录组测序技术，构建小鼠大脑的细胞图谱 通过单细胞转录组测序检测，共获得了292,495个细胞用于单细胞数据分析，通过对这些细胞进行细胞类型注释，共鉴定到了798种细胞类型，作者根据脑细胞的主要类别（成纤维细胞、血管、免疫、放射状胶质细胞、胶质母细胞、神经母细胞和神经元）、胚胎发育时间、细胞标志物和取样的空间位置，对细胞类型进行了全面的注释。tSNE图显示细胞主要按胎龄分布。在E7时，细胞分离成原肠胚形成过程中产生的三个胚层。神经嵴在E8-E10期间形成，并在E10-E16期间分化为形成脑膜的成纤维细胞谱系。早期的神经管在E8形成，然后分化成为放射状胶质细胞。两大类神经元从神经管分支出来，一类包含前脑兴奋性神经元，另一类包含其他所有神经元类型。同时，作者发现大约在E14之后，放射状胶质细胞逐渐失去增殖能力并转变为胶质母细胞状态，最终演化成为星形胶质细胞、室管膜细胞和少突胶质细胞前体 (OPC) 细胞。
图1 发育中的小鼠大脑图谱
2. 对神经元类细胞进行亚群再分析 随后作者对E7-E8.5时期的细胞群进行了分群分析，这一时期主要是原肠胚晚期和神经形成早期的细胞。并根据细胞亚群聚类分析，将细胞群分为五个类群。包括原条阶段细胞、非神经谱系限定细胞和早期神经上皮祖细胞。进一步对神经上皮细胞群分析，共鉴定出了十个亚群，并且发现在神经胚形成过程中,Secondary organizers的特殊神经前体细胞调控了大脑的形态发生。此外E9-E11放射状胶质细胞群中的Secondary organizers亚型中差异表达大量转录因子、分泌配体和表面受体相关基因。这些organizers分泌的形态发生素可能在特定区域，诱导局部神经元的分化。
图2.1 神经形成过程中的细胞类型异质性
图2.2 神经管的分子多样性
3. 对非神经元类细胞进行亚群再分析 接下来，作者对胶质细胞及相关祖细胞进行了亚群再聚类分析，主要包括表达神经源性标记物的细胞和表达神经胶质标记物的细胞。结果发现非端脑胶质母细胞和寡突细胞前体细胞，以及与端脑胶质母细胞的异质性。显示了这一区域的特异性，同时进一步证明了E12到E16之间发生了神经元到胶质细胞的转变。而最早的星形胶质细胞出现在大约E15时期。同时巨噬细胞和小胶质细胞从胚外卵黄囊发育，并在E9.5进入大脑，并且取代原本存在早期巨噬细胞。
图3 非神经元类细胞发育特征
4. 通过ISS检测对单细胞数据进行空间定位验证 发育中的大脑不同空间域包含各种转录特征转录因子。随着时间的推移，这些区域通过一些相互作用而逐渐分化。为了将这一复杂过程与转录细胞状态联系起来，作者对在E10.5小鼠胚胎的24个矢状切面上对119个基因进行了原位杂交获得空间表达信息，并将单细胞结果和空间结构进行对应，从而对不同的细胞类型确定准确的空间位置。
图4 细胞类型和状态的空间分布
小编小结 本文通过单细胞转录组测序数据，对大脑发育不同阶段的细胞类型进行了系统性的分析，并结合时间和空间信息分析了不同细胞的分化起源，展示了小鼠胚胎时期大脑转录组的多样性，这是对哺乳动物神经系统发展进行研究的关键步骤。另外，该图谱中所提供的发育时间、细胞谱系以及区域特异性的基因表达为遗传靶点的研究提供了关键工具，也为理解神经发育相关的疾病例如脑癌提供了重要平台。
