发育中的小鼠大脑细胞与结构图谱

杂志：Nature

发表时间：2021.07

实验平台：10x Genomics&In-situ Sequencing

影响因子：IF: 42.778；Q1

摘要

哺乳动物的大脑是通过空间线索复杂的相互作用发展起来的，这些空间线索是由可扩散的分子、细胞间的相互作用和内在的遗传程序协调产生的，这些遗传程序最终促进一千多种不同的细胞类型的产生。想要真正理解这一过程，需要对整个大脑发育的时空范围内的细胞状态进行系统的描述。而单细胞RNA测序和空间转录组学恰好是揭示神经系统内复杂分子异质性的重要手段。作者对胚胎时期E7到E18每天的小鼠脑进行单细胞RNA测序。在去除低质量的细胞后，共得到93个样品中292,495个细胞，每个细胞平均包括5,766个转录本和1,934个基因。鉴定得到七百多种细胞状态，描述了大脑及其外膜功能成分的发育程序。

首先在小鼠脑的转录组图谱构建过程中，作者根据细胞类型如成纤维细胞、血管、免疫、胶质细胞、成胶质细胞、神经母细胞和神经元，以及不同的细胞亚类、细胞身份和空间位置进行了手动标注和整理。细胞主要按胎龄进行组织，不同的分支中会显示出主要的神经上皮谱系，主要的细胞种类会随着发育年龄而产生持续的波动。按发育时间和大脑区域分为：头神经管 E7-E8.5、前脑 E9-E11、中脑 E9-E11、后脑 E9-E11、前脑背侧 E12-E15、前脑腹侧 E12-E15 、中脑 E12-E15、后脑 E12-E15、前脑背侧 E16-E18、前脑腹外侧 E16-E18、中脑 E16-E18 和后脑 E16-E18该图谱结果揭示出哺乳动物大脑的协调发展。

随后，作者将目光集中在了原肠胚形成的晚期阶段与神经胚形成的早期阶段，为此提取了该图谱中E7-8.5天的数据，根据构建的系统发育树，细胞分类树中包括胶质细胞和相关的神经前体细胞，其中主要包括表达神经源性的细胞标记物，另外一些表达胶质细胞相关的细胞标记物的。这两组细胞中有超过7000个基因存在差异表达，胶质细胞中优先表达星形胶质细胞和少突胶质细胞相关基因。作者所建立的图谱揭示出神经源性向胶质源性转变发生在E12和E16之间。

接下来利用原位杂交测序鉴定神经系统形成过程中神经祖细胞的准确空间构成，发育中的大脑由表达特征性转录因子的不同空间域组成。随着发育时间的推移，这些区域逐渐细化。为了将此复杂的发育过程与细胞转录状态联系在一起，作者对发育过程中小鼠E10.5胚胎的24个矢状面切片的119个基因进行了原位杂交测序，为每个细胞状态生成一个空间定位轮廓。

总结一下，我们知道研究大脑发育的核心问题是研究神经元多样性的起源，在本文中观察到，放射状胶质细胞在空间和转录上都具有多样性，且存在多种分泌因子，本研究所建立的小鼠大脑发育过程转录组图谱揭示了小鼠胚胎时期大脑转录组的多样性，为进一步的神经发育研究打下了基础，也进一步向我们证明了单细胞测序结合空间位置信息是研究异质性的有效手段。