文献分享|单细胞测序探究小鼠胚胎时期脑组织发育过程
标题：Molecular architecture of the developing mouse brain
期刊：Nature
影响因子：49.962
哺乳动物的大脑是通过空间上多种复杂的因素相互组合发展的，这些空间信息如形态发生、细胞间通讯及内在的遗传程序等导致形成了一千多种不同的细胞类型。因此，要全面的了解哺乳动物的大脑发育就需要对整个时空范围内的细胞状态进行系统性的研究。因此，本研究利用单细胞转录组测序技术和空间转录组技术对小鼠胚胎从原肠胚形成到出生的小鼠大脑发育的过程进行了基因测序，得到了完整的单细胞转录组图谱，发现了近1000种不同的细胞状态。本文还使用图谱直接验证了人类胶质母细胞瘤反映了一种发育细胞状态的回归这一假设。同时，结合原位杂交技术绘制出的关键发育基因的空间表达图谱，本文揭示了神经系统发育过程种神经祖细胞准确的空间位置。
样本类型
小鼠胚胎第7至第18天（E7-E18）不同部位，共93个样品进行单细胞测序。每个细胞平均检测到 5,766 个UMI和 1,934 个基因。
研究结果
为了详细绘制小鼠大脑发育的图谱，研究人员收集了43只怀孕的从胚胎日(E)7到E18之间胚胎期CD-1小鼠的胚胎脑组织。通过单细胞测序技术对去除了低质量细胞和双重细胞(方法)后的96个样本进行分析，通过降维聚类共得到了798个亚群。然后，研究人员根据脑细胞的主要类别（如成纤维细胞、血管、免疫、放射状胶质细胞、胶质母细胞、神经母细胞和神经元）、细胞标志物和取样的空间位置等信息对细胞类型进行了注释。通过分析可知，细胞主要按胎龄排列并显示出了主要的神经上皮谱系。在E7时，细胞在原肠胚形成过程中分为三个胚层。神经嵴在E8-E10期间形成并在E10-E16期间分化为形成脑膜的成纤维细胞谱系。早期的神经管在E8形成，然后成熟为增殖的放射状胶质细胞，这也是所有神经细胞的前体。
两大类神经元从神经管分支出来，一类包含前脑兴奋性神经元，另一类包含所有其他神经元类型。前脑兴奋性神经元的清晰分离与先前在成年小鼠大脑中的发现一致，表明这些细胞类型具有很强的转录和功能特化特质。大约在E14之后，放射状胶质细胞逐渐失去增殖能力并转变为胶质母细胞状态，最终产生星形胶质细胞、室管膜和少突胶质细胞前体 (OPC) 细胞。这些主要细胞的出现，揭示了哺乳动物大脑协调时间发展的秘密。
研究人员对神经上皮细胞群进一步细分，发现并确定了E9-E11放射状胶质细胞样簇中的次级组织者。组织者亚型会表达大量不同的转录因子、分泌配体和表面受体，这些结果建立了丰富的二级组织者库。这些组织者分泌的形态发生素可能在特定区域诱导局部神经元的分化。
研究人员从细胞聚类结果鉴定了胶质细胞及相关祖细胞，主要包括表达神经源性标记物的细胞和表达神经胶质标记物的细胞。研究发现两组之间有超过7000个差异基因的表达，并且胶质母细胞优先表达于星形胶质细胞和寡突胶质细胞相关的基因。这些观察结果表明区域化的丧失，这一表现在寡突胶质细胞谱系中更加明显。同时，E12和E16之间发生了神经元到胶质细胞的转变。最早的星形胶质细胞出现在大约E15。巨噬细胞和小胶质细胞从胚外卵黄囊发育并在E9.5之前侵入大脑。
发育过程中的大脑在不同空间域中会表现出具有特征的转录因子。为了将这一复杂过程与转录细胞的状态联系起来，研究人员对在E10.5小鼠胚胎的24个矢状切面上对119个基因进行了原位杂交获得空间表达信息，并将单细胞群和空间结构进行对应，进一步对不同的细胞类型确定准确的空间位置。
结论
神经祖细胞广泛地由次级组织者构成，但大多数神经元的多样性是在有丝分裂后的神经母细胞和成熟神经元中产生的。本文对大脑发育不同阶段的细胞类型进行了鉴定，并结合时间和空间信息分析了不同细胞的分化起源。结合单细胞转录组和空间转录组所提供的时间、谱系和空间特异性的基因表达信息为复杂组织的研究提供了全面的支持。
参考文献：
La Manno G, Siletti K, Furlan A, Gyllborg D, Vinsland E, Mossi Albiach A, Mattsson Langseth C, Khven I, Lederer AR, Dratva LM, Johnsson A, Nilsson M, Lönnerberg P, Linnarsson S. Molecular architecture of the developing mouse brain. Nature. 2021 Aug;596(7870):92-96. doi: 10.1038/s41586-021-03775-x. Epub 2021 Jul 28. PMID: 34321664.
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本文为伯豪生物原创
撰稿人：王雨诺
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