2021-11-12
標題：Molecular architecture of the developing mouse brain
期刊：NATURE
影響因子：49.962
哺乳動物大腦是在多種復雜因素相互作用下發展起來的，包括形態發生、細胞間相互作用和內在的遺傳程序，最終形成一千多種不同的細胞類型。單細胞轉錄組和空間轉錄組揭示復雜組織分子異質性的能力，特別適合在大腦發育的整個時空范圍內對細胞狀態進行系統地研究。本文提供了小鼠胚胎從原腸胚形成到分娩之間大腦發育的完整單細胞轉錄組圖譜。確定了近800種細胞類型，這些細胞類型描述了大腦及其封閉膜的功能元件的發育過程。并且結合原位雜交技術繪制了關鍵發育基因的空間表達圖譜，揭示了神經系統發育過程中神經祖細胞的準確空間位置。
材料方法
選擇了小鼠胚胎第7至第18天（E7-E18）不同部位，共93個樣品進行單細胞測序，經過分析保留了292,495個細胞。每個細胞平均檢測到 5,766 個UMI和 1,934 個基因。
研究結果
經過分析，共得到了798個細胞類，作者根據腦細胞的主要類別（例如，成纖維細胞、血管、免疫、放射狀膠質細胞、膠質母細胞、神經母細胞和神經元）、子類、細胞標志物和取樣的空間位置，對細胞類型進行了注釋。tSNE圖顯示細胞主要按胎齡分布。在E7時，細胞分離成原腸胚形成過程中產生的三個胚層。神經嵴在E8-E10期間形成，并在E10-E16期間分化為形成腦膜的成纖維細胞譜系。早期的神經管在E8形成，然后成熟為放射狀膠質細胞。兩大類神經元從神經管分支出來，一類包含前腦興奮性神經元，另一類包含所有其他神經元類型。大約在E14之后，放射狀膠質細胞逐漸失去增殖能力并轉變為膠質母細胞狀態，最終產生星形膠質細胞、室管膜和少突膠質細胞前體 (OPC) 細胞。
隨后作者從數據集中提取了E7-E8.5細胞，分析了原腸胚晚期和神經形成早期的細胞，并根據聚類信息將種群分為五個部分。包括原條階段細胞、非神經譜系限定細胞和早期神經上皮祖細胞。
對神經上皮細胞群進一步區分出了十個亞群，發現在神經胚形成過程中，次級組織者Secondary organizers的特殊神經前體細胞協調了大腦的形態發生。E9-E11放射狀膠質細胞群中的次級組織者亞型中差異表達大量轉錄因子、分泌配體和表面受體。這些組織者分泌的形態發生素可能在特定區域，誘導局部神經元的分化。
作者從細胞聚類結果鑒定了膠質細胞及相關祖細胞，主要包括表達神經源性標記物的細胞和表達神經膠質標記物的細胞。兩者間有超過7000個基因差異表達，成膠質細胞優先表達星形膠質細胞和少突膠質細胞相關基因。E12和E16之間發生了神經元到膠質細胞的轉變。最早的星形膠質細胞出現在大約E15。
發育中的大腦包含表達特征轉錄因子的不同空間域。隨著時間的推移，這些域通過一些相互作用而逐漸分化。為了將這一復雜過程與轉錄細胞狀態聯系起來，作者對在E10.5小鼠胚胎的24個矢狀切面上對119個基因進行了原位雜交獲得空間表達信息，并將單細胞群和空間結構進行對應，進一步對不同的細胞類型確定準確的空間位置。
總 結
本文對大腦發育不同階段的細胞類型進行了鑒定，并結合時間和空間信息分析了不同細胞的分化起源。結合單細胞轉錄組和空間轉錄組所提供的時間、譜系和空間特異性的基因表達信息為復雜組織的研究提供了強大的工具。
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