大腦是人體中最復(fù)雜的器官,其復(fù)雜性遠遠超出了我們當前的認識能力。其中,人腦前額葉皮層是人類大腦高級功能的關(guān)鍵組成部分,參與記憶形成、短期儲存以及調(diào)取功能、語言功能、情緒的調(diào)節(jié)等功能。要理解人腦是怎樣工作的,一個必備的基礎(chǔ)是詳細精準的人類大腦“細胞類型圖譜”。至今我們對于人腦的前額葉到底由哪些細胞組成,這些細胞又是如何在胚胎發(fā)育過程中產(chǎn)生的”這些關(guān)鍵的腦科學(xué)問題知之甚少。
2018年3月14日,北京大學(xué)北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、生命科學(xué)學(xué)院生物動態(tài)光學(xué)成像中心湯富酬研究組與中國科學(xué)院生物物理研究所王曉群課題組,攜手北京大學(xué)第三醫(yī)院喬杰研究組和首都醫(yī)科大學(xué)附屬安貞醫(yī)院張軍課題組聯(lián)合在國際著名學(xué)術(shù)期刊《Nature》上在線發(fā)表了題為“Single-cell RNA-Seq surveys a developmental landscape of the human prefrontal cortex”的文章。該研究利用單細胞轉(zhuǎn)錄組測序手段,繪制了人腦前額葉胚胎發(fā)育過程的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜,解析了人類胚胎大腦前額葉發(fā)育的細胞類型多樣性及不同細胞類型之間的發(fā)育關(guān)系,揭示了神經(jīng)元產(chǎn)生和環(huán)路形成的分子調(diào)控機制,并對其中關(guān)鍵的細胞類型進行了系統(tǒng)的功能研究,為繪制最終完整的人腦細胞圖譜,奠定了重要的基礎(chǔ)。
人腦前額葉細胞發(fā)育圖示
這項研究發(fā)現(xiàn),在動態(tài)發(fā)育的人類胚胎前額葉皮層中,主要由神經(jīng)干細胞、興奮性神經(jīng)元、抑制性神經(jīng)元、星型膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞等六大類細胞組成。這六大類細胞可以進一步地劃分為35個獨立的細胞亞型,存在各自關(guān)鍵的基因表達特征及重要生物學(xué)含義,為未來對這些細胞類型的后續(xù)研究提供了高精度無偏的分子圖譜。該研究利用擬時間等算法重構(gòu)了這些神經(jīng)細胞類型之間的發(fā)育譜系關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在前額葉皮層中的神經(jīng)干細胞是一個具有高度復(fù)雜的異質(zhì)性的功能細胞群體,在不同的胚胎發(fā)育階段分別分化成神經(jīng)元細胞、星型膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞。通過更深入的功能分析,研究人員發(fā)現(xiàn)了與神經(jīng)干細胞對稱分裂、神經(jīng)元發(fā)生、膠質(zhì)細胞發(fā)生這三個重要神經(jīng)發(fā)育事件密切相關(guān)的一系列關(guān)鍵基因表達特征,并進行了深入、系統(tǒng)的實驗驗證。
在人類神經(jīng)干細胞的研究中,雖然近些年來主要研究集中在RG細胞或oRG細胞上,但是中間前體細胞IPC對于神經(jīng)發(fā)生、特別是靈長類動物的神經(jīng)發(fā)生同樣起著重要的作用。通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和多層次的實驗驗證,研究人員提出IPC的產(chǎn)生具有兩個關(guān)鍵爆發(fā)期,一個是在胚胎發(fā)育10周左右,這些IPC主要由RG大量產(chǎn)生,而另一個峰值則發(fā)生在胚胎發(fā)育16周左右,這些IPC由oRG大量產(chǎn)生。正是通過IPC的這兩個爆發(fā)期的形成,數(shù)量龐大的神經(jīng)元才能在短暫的大腦皮層發(fā)育時期內(nèi)快速生成,并形成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能豐富的前額葉皮層。
前額葉皮層神經(jīng)元產(chǎn)生的兩個關(guān)鍵爆發(fā)期
在前額葉皮層中起著尤為關(guān)鍵作用的是眾多的神經(jīng)元細胞,在過去的認識中,我們只知道絕大部分的新生神經(jīng)元在人類胎兒出生前已經(jīng)開始分化和遷移,但對這些關(guān)鍵的神經(jīng)發(fā)育事件的具體發(fā)生時間卻知之甚少。研究人員通過對神經(jīng)元單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析和深度挖掘,首次揭示了在人類大腦前額葉皮層發(fā)育過程中興奮性神經(jīng)元生成、遷移和成熟的三個關(guān)鍵階段:(一)8-12周神經(jīng)干細胞大量增殖階段;(二)13-16周神經(jīng)干細胞分化并大量產(chǎn)生新生神經(jīng)元同時伴隨著新生神經(jīng)元的遷移階段;(三)19-26周,神經(jīng)元開始逐漸成熟,表達關(guān)鍵功能蛋白并初步形成有功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的階段。神經(jīng)元細胞形成具有功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過程是大腦發(fā)育的一個非常重要的階段,王曉群課題組利用電生理等手段對人類圍產(chǎn)期26周的前額葉皮層進行了深入的功能研究,發(fā)現(xiàn)在前額葉皮層中很多神經(jīng)元已經(jīng)具備了正常發(fā)放鈉鉀電流的能力,在深層腦區(qū)的神經(jīng)元更是具備了發(fā)放EPSC和IPSC等功能。
人類前額葉皮層細胞生成及分化、功能產(chǎn)生的發(fā)育時間
另外,該研究也對于腦發(fā)育領(lǐng)域內(nèi)一直存在分歧的問題進行了探索。例如,對于抑制性神經(jīng)元是否能在皮層中原位產(chǎn)生的問題過去一直是眾說紛紜,一種觀點認為皮層的抑制性神經(jīng)元只來源于位于大腦腹側(cè)的神經(jīng)節(jié)隆起區(qū)域(ganglionic eminence),并進而遷移到皮層;而另一種觀點則認為有少量的抑制性神經(jīng)元可能是皮層自身原位產(chǎn)生的。為了解開這個謎題,研究人員通過單細胞轉(zhuǎn)錄組測序和免疫染色等技術(shù)手段,發(fā)現(xiàn)在早期的前額葉皮層中已經(jīng)存在少量的抑制性神經(jīng)元的前體細胞,但這部分的前體細胞大多數(shù)處于細胞周期的靜息期,很可能暫時并不具備分裂生成神經(jīng)元的活性。同時,轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析也表明,前額葉皮層中興奮性神經(jīng)元的成熟要早于抑制性神經(jīng)元。
前額葉皮層的細胞組成是其形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行復(fù)雜、豐富功能的生物學(xué)基礎(chǔ),該項研究通過高精度的單細胞轉(zhuǎn)錄組測序、結(jié)合系統(tǒng)的生物信息學(xué)分析和深度數(shù)據(jù)挖掘,對人類前額葉皮層發(fā)育的細胞和分子機制進行了深入、精準的探索和分析,為解答前額葉皮層如何參與“思考和思想形成”這一關(guān)鍵問題的后續(xù)研究提供了高精度的細胞圖譜,是前額葉皮層發(fā)育研究史上的重要突破和重大進展。
生科院15級研究生張書、博士后范小英與中科院生物物理所14級博士生鐘穗娟,副研究員吳倩以及北醫(yī)三院閆麗盈博士為本文共同第一作者,王曉群教授、喬杰教授、湯富酬教授及張軍教授為共同通訊作者。此項工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部和未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心的的支持。
文章鏈接:https://www.nature.com/articles/nature25980
湯富酬:
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物動態(tài)光學(xué)成像中心,教授;北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心,北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心,研究員。
實驗室研究領(lǐng)域:
具有自我更新能力和分化潛能的干細胞是哺乳動物胚胎發(fā)育過程中以及成體中的關(guān)鍵類型的細胞,對各種干細胞進行深入研究是理解哺乳動物發(fā)育、生長機制的關(guān)鍵,也是將干細胞應(yīng)用于臨床再生醫(yī)學(xué)、治療人類疾病的前提。本實驗室主要圍繞人類早期胚胎發(fā)育研究多能干細胞的自我更新和多能性調(diào)控的分子機理,特別是表觀遺傳學(xué)調(diào)控機理,以及相關(guān)的早期生殖細胞發(fā)育過程中的表觀遺傳學(xué)重編程機理。利用我們發(fā)展的單細胞功能基因組學(xué)分析技術(shù)(單細胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)、單細胞 DNA甲基化組測序技術(shù)、單細胞染色質(zhì)狀態(tài)組測序技術(shù)、單細胞多組學(xué)平行測序技術(shù)等),以及基因編輯技術(shù)、染色質(zhì)免疫共沉淀-高通量測序技術(shù)、小鼠胚胎顯微操作技術(shù)、以及人類胚胎干細胞體外定向分化等技術(shù)在單細胞和單堿基分辨率深入分析人類早期胚胎、生殖系細胞、以及多能性干細胞中基因表達網(wǎng)絡(luò)的表觀遺傳學(xué)調(diào)控機理。
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