Science封面：全球首个脑再生时空图谱

为了深入研究墨西哥钝口螈端脑再生的细胞和分子机制，并探讨其与发育的关系，研究人员收集了不同损伤再生阶段（7个再生阶段）和发育时期（6个发育时期）的端脑样本。然后利用我国自主研发的Stereo-seq技术，获取了能够覆盖整个端脑切片的空间转录组数据。得益于Stereo-seq技术所具有的单细胞分辨率优势，实现了对蝾螈大脑发育、再生过程中单细胞转录组的原位捕获及分析。通过对所获数据的大规模整合分析，获得了一系列端脑发育与再生的空间转录组图谱（交互式数据库网站：https://db.cngb.org/stomics/artista/）。

首先针对脑发育过程的分子细胞动态变化进行分析，通过无偏差聚类分析及细胞类型鉴定，研究人员在发育时期的样本中共鉴别出33种端脑细胞类型，并阐述了它们在不同发育时期端脑的动态分布特点。其中需要特别指出的是具有干细胞属性的室管膜胶质细胞（EGC），根据其基因表达特征可以分为四个亚型：dEGC, wntEGC, sfrpEGC和ribEGC。dEGC主要存在于发育早期，并随着发育逐渐减少，到juvenile时期基本消失。但分布在室管膜的不同区域的另外三个亚型从stage54开始出现后，持续存在于成体阶段；进一步的GO分析显示它们分别处于不同的状态，可能与其在大脑稳态维持中各自不同的功能直接相关。

为了明确脑再生的分子细胞学机制，进一步对脑再生过程中的细胞及分子动态变化展开研究。在端脑多个再生阶段样本中共鉴别出28种细胞类型。通过与发育及再生时期出现的神经元进行比较分析，发现在损伤早期的创口附近存在一群与发育中神经发生高度相似的非成熟神经元。根据其所处位置及基因表达特点，表明是损伤再生信号诱导了神经元的命运重编程——从成熟的神经元转换为不成熟状态，这一转换可能更加有利于为之后的新生神经元提供良好的神经环路整合条件。更值得注意的是，研究人员在再生阶段的细胞类型中，鉴定出了一种再生特异的室管膜胶质细胞亚型reaEGC。reaEGC与发育过程中所鉴定的其他EGC细胞类型均不同，但是与发育最早期出现的dEGC亚型在基因表达指纹上最为相似。分析表明它们是伤口附近存在的EGC细胞亚型，被损伤再生特异性反应激活并发生命运重编，转换为类似于胚胎发育早期的状态，进一步进行快速增殖并覆盖伤口。利用Stereo-seq的技术优势，在空间原位上对脑再生关键时间点（损伤后15天）进行细胞谱系动态分析，表明reaEGC可能通过生成中间前体细胞，非成熟神经元进而转换为成熟神经元的过程来补充丢失的神经元，实现大脑再生。

基于以上的发现，最后，研究人员比较了脑发育与脑再生的相关性。通过分析端脑发育及再生过程中相关细胞类型的状态、空间分布，并结合神经发生及再生过程中细胞谱系关系与基因动态表达变化，表明蝾螈端脑再生与发育过程具有高度的相似性，揭示端脑再生在一定程度上是其发育过程的重启。该研究首次获得了单细胞水平上的蝾螈端脑发育和再生的空间转录组数据，鉴定了端脑损伤再生过程中的关键细胞类型和分子特征，并明确了脑再生和发育的本质相关性。基于此研究的进一步工作，可能为改善哺乳动物大脑有限的再生能力提供新的思路。此外，蝾螈作为进化关键节点的脊椎动物，其脑单细胞空间图谱还可为研究脊椎动物脑的发育，再生和进化提供重要的数据。

报道来源：作者团队

原文链接：https://doi.org/10.1126/science.abp9444