2021-08-13
雜志：Nature
發表時間：2021.07
實驗平臺：10x Genomics&In-situ Sequencing
影響因子：IF: 42.778；Q1
摘要
哺乳動物的大腦是通過空間線索復雜的相互作用發展起來的，這些空間線索是由可擴散的分子、細胞間的相互作用和內在的遺傳程序協調產生的，這些遺傳程序最終促進一千多種不同的細胞類型的產生。想要真正理解這一過程，需要對整個大腦發育的時空范圍內的細胞狀態進行系統的描述。而單細胞RNA測序和空間轉錄組學恰好是揭示神經系統內復雜分子異質性的重要手段。作者對胚胎時期E7到E18每天的小鼠腦進行單細胞RNA測序。在去除低質量的細胞后，共得到93個樣品中292,495個細胞，每個細胞平均包括5,766個轉錄本和1,934個基因。鑒定得到七百多種細胞狀態，描述了大腦及其外膜功能成分的發育程序。
首先在小鼠腦的轉錄組圖譜構建過程中，作者根據細胞類型如成纖維細胞、血管、免疫、膠質細胞、成膠質細胞、神經母細胞和神經元，以及不同的細胞亞類、細胞身份和空間位置進行了手動標注和整理。細胞主要按胎齡進行組織，不同的分支中會顯示出主要的神經上皮譜系，主要的細胞種類會隨著發育年齡而產生持續的波動。按發育時間和大腦區域分為：頭神經管 E7-E8.5、前腦 E9-E11、中腦 E9-E11、后腦 E9-E11、前腦背側 E12-E15、前腦腹側 E12-E15 、中腦 E12-E15、后腦 E12-E15、前腦背側 E16-E18、前腦腹外側 E16-E18、中腦 E16-E18 和后腦 E16-E18該圖譜結果揭示出哺乳動物大腦的協調發展。
隨后，作者將目光集中在了原腸胚形成的晚期階段與神經胚形成的早期階段，為此提取了該圖譜中E7-8.5天的數據，根據構建的系統發育樹，細胞分類樹中包括膠質細胞和相關的神經前體細胞，其中主要包括表達神經源性的細胞標記物，另外一些表達膠質細胞相關的細胞標記物的。這兩組細胞中有超過7000個基因存在差異表達，膠質細胞中優先表達星形膠質細胞和少突膠質細胞相關基因。作者所建立的圖譜揭示出神經源性向膠質源性轉變發生在E12和E16之間。
接下來利用原位雜交測序鑒定神經系統形成過程中神經祖細胞的準確空間構成，發育中的大腦由表達特征性轉錄因子的不同空間域組成。隨著發育時間的推移，這些區域逐漸細化。為了將此復雜的發育過程與細胞轉錄狀態聯系在一起，作者對發育過程中小鼠E10.5胚胎的24個矢狀面切片的119個基因進行了原位雜交測序，為每個細胞狀態生成一個空間定位輪廓。
總結一下，我們知道研究大腦發育的核心問題是研究神經元多樣性的起源，在本文中觀察到，放射狀膠質細胞在空間和轉錄上都具有多樣性，且存在多種分泌因子，本研究所建立的小鼠大腦發育過程轉錄組圖譜揭示了小鼠胚胎時期大腦轉錄組的多樣性，為進一步的神經發育研究打下了基礎，也進一步向我們證明了單細胞測序結合空間位置信息是研究異質性的有效手段。
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