Nature：绘制人类大脑类器官发育的多组学图谱

撰文丨甲遇庚

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

众所周知，每种动物都有自己的大脑，但 人脑 是独一无二的，它赋予了人类思考、说话、感知和一系列行为，控制着个体一生中所想和所做的一切。人脑被认为是生命科学中最复杂的器官。因此，到目前为止，依然有太多的长期未解之谜。 

在过去的研究中，科学家们通过研究动物大脑已经取得了一些进展；但遗憾的是，这些发现并不能直接转化到人类中。因为人脑具有区别于其他物种的独特特征。此外，最近的细胞图谱对小鼠和人类发育中的脑细胞组成进行了高分辨率描述, 但由于难以在生命最早阶段获得脑组织, 以及缺乏系统操纵基因功能的方法, 研究控制人脑发育的机制始终是一项重大的挑战。 

2022年10月5日，瑞士苏黎世联邦理工学院的  Barbara Treutlein  博士、 何志嵩 博士和罗氏制药的  J. Gray Camp  博士领导的研究团队在 Nature 上发表了题为： Inferring and perturbing cell fate regulomes in human brain organoids  的研究论文。 该研究建立了 人类大脑类器官发育的多组学图谱 ，首次证明转录因子 GLI3 参与了人类前脑模式的形成。该研究为如何利用人体模型系统和单细胞技术重建人类发育生物学提供了框架。

近年来，利用人类干细胞在受控培养环境中生成复杂的 大脑类器官 （Brain Organoids） 为理解人脑发育的机制开辟了新的途径。大脑或非导向性神经类器官可以从胚胎干细胞或诱导多能干细胞发育成三维神经上皮细胞，这些细胞可以自我模式化、区域化，并最终形成不同脑区的神经元。 

目前， 大脑类器官 已被成功用于模拟小头症、自闭症等其他神经发育障碍。然而，在正常和干扰条件下协调人脑早期发育的基因调控网络仍是未知的。 在这项新研究中，该团队生成了人脑类器官发育过程中的单细胞转录组和单细胞可获得的染色质分析数据。该数据集来自3个人类 iPS 细胞系和1个胚胎干细胞系的11个时间点，涵盖了2个月的发育过程，包括胚状体形成、神经外胚层诱导、神经上皮化、神经祖细胞模式和神经发生。研究人员利用这些数据建立了一个大脑类器官发育的多组学图谱，揭示了发育层次和命运决定的关键阶段，以及类器官内每个细胞的分子指纹。

然而，类器官中的每个细胞都有超过20000个基因，而且每个类器官又由数千个细胞组成。因此，产生一个巨大的矩阵。 为了分析所有这些海量多维数据并预测基因调控机制，研究人员开发了一个框架程序Pando，它结合了多组学数据和转录因子结合位点的预测，以推断描述类器官发育的整个基因调控网络。

使用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术，研究人员在每个细胞中选择性地关闭某个基因，整个类器官中共有24个基因被同时关闭。这使他们观察到特定基因在大脑发育中所扮演的角色。 

研究人员表示，这种方法可以用于筛选与疾病有关的基因，以及观察该基因对器官内不同细胞发育的影响。 为了验证他们的理论，研究人员关注了转录因子 GLI3  。

GLI3 是小鼠皮层发育调节因子，该基因突变可导致小鼠中枢神经系统畸形。过去，GLI3 在人类神经发育中的作用还未被探索，但已知该基因突变会导致 Greig头多并指综合征和 Pallister Hall 合征等疾病。 为了确认 GLI3 在人类环境中参与细胞命运的建立，以及检查潜在的发育机制，研究人员通过 CRISPR-Cas9 基因编辑建立了 GLI3 敲除 iPS 细胞系和一个对照的野生型细胞系，并生成了两个独立的大脑类器官，从而 验证了 GLI3 在人类背侧端脑细胞命运中的关键作用，并进一步确定了 GLI3 在内侧神经节隆起 （MGE） 和外侧/尾部神经节隆起 （LGE/CGE） 神经元中的贡献。GLI3 的缺失会影响类器官的进一步发育。

论文通讯作者 Barbara Treutlein 表示，这项研究首次证明了 GLI3 基因参与了人类前脑模式的形成，而这以前只在小鼠中发现过。这项研究可以让你使用来自多个单细胞的全基因组数据推测单个基因所发挥的作用；而且，这些在培养皿中的模型系统确实反映了 GLI3 在小鼠发育生物学中的作用。

在荧光显微镜下来自人干细胞的大脑类器官：GLI3 （紫色）标记前脑区域的神经元（绿色）前体细胞 该团队还发现了培养基是如何以自组织的方式形成组织的，其结构在形态学以及基因调控和模式形成的层面上都与人脑的结构相当。Barbara Treutlein 表示，像这样的类器官确实是研究人类发育生物学的一种极好的方法。 

这些由人类细胞材料组成的类器官研究还有一个优点，就是它可以转化到人类身上，不仅可以用于研究基础发育生物学，还可以用于研究基因在疾病或发育性脑部疾病中的作用。例如，该团队正在通过这种类器官研究自闭症和脑室周围异位的遗传原因。 此外，类器官还可以用于药物测试和培养可移植器官的组成部分。 总之，这些数据揭示了多模式单细胞基因组和类器官技术在了解人脑发育的基因调控程序方面的非凡潜力。该研究为如何利用人体模型系统和单细胞技术重建人类发育生物学提供了一个框架。