感觉之首：视觉与视觉系统 | 时空简讯31期
时空简讯第31期。
视觉系统由眼球系统、视神经和视觉中枢组成。据报道，人类大脑所取得的95%左右的信息由视觉系统同意、处置和感知，可以说视觉系统是人类最重要的感觉系统。视觉系统作用时，眼负责“视”的最初步骤，“觉”主要由大脑中视觉相关区域完成，“视”与“觉”密不可分。为深入系统地了解视觉系统的进化、构成及相关疾病，本期遴选8篇与视觉中枢、眼球构造及眼部疾病相关的文章，供参考了解。
视觉中枢
Visual Center
成人脑单细胞转录组和表观状态整合分析
Nature Biotechnology [IF: 35.724]
① 对成人额叶皮层（BA6、BA9、BA10）、视觉皮层或视觉区域（BA17、V1）和小脑外侧半球取样（n=36,166）进行snDrop-seq分析，共鉴定出35个细胞类群（Ex1-2、Ex3a-e、Ex4、Ex5a、b,Ex6a-b、Ex8、In1a-c、In2-3、In4a-b、In6a-b、In7-8、Gran、Purk1、Purk2、End、平滑肌细胞、Ast、Oli、OPCs、Cerebellar OPCs、Mic、Pericytes）。
② 同时对以上样本进行了单细胞转座子超敏感位点测序（scTHS-seq）分析（n=32,869），共鉴定到287,381个与染色质可及性位点相关的峰；基于差异可及性位点相邻的基因的功能注释，鉴定出Ex、In、Gran、Ast、Oli、OPCs、Mic和End 8种细胞类型。
③ 鉴定出皮层中不同细胞类型和细胞亚类，以及不同脑皮层（layer）的标识基因及不同ExN、InN亚群在layer的空间特异性定位，确定了不同细胞类型在小脑不同结构中的特异性，提供了细胞类型鉴定标识基因及这些细胞类型在空间上的分布特征。
④ 训练出新的梯度提升模型（gradient-boosting model，GBM），可以将转录组数据和染色质可及性数据整合进行细胞类型鉴定，提供更精确的细胞分群，且发现细胞类型的标识基因的可及性位点集中在启动子附近。
⑤ 阐明成年脑中少突胶质细胞祖细胞（oligodendrocytes precursor cells）向少突胶质细胞（oligodendrocytes）转化过程中的关键转录因子及其结合位点和可及性的改变。
⑥ 利用全基因组关联分析（GWAS），将人类疾病相关位点与细胞类型关联起来，发现Mic与阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease，AD）风险变异高度显著富集，这与晚发性AD皮质中被激活的显著Mic信号一致。（蓉宝）
研究策略示意图
Integrative single-cell analysis of transcriptional and epigenetic states in the human adult brain.
2017.12.11, DOI: 10.1038/nbt.4038
研究文章；脑科学；人，大脑，小脑，脑皮层，视觉，snDrop-seq, scTHS-seq，单细胞，GWAS; Blue B Lake, Song Chen, Brandon C Sos, Jean Fan, Jerold Chun, Peter V Kharchenko, Kun Zhang; University of California San Diego, UC San Diego School of Medicine, Harvard Medical School; USA.
斑马鱼幼体视顶盖细胞异质性的首次单细胞转录组探索
Frontiers in Molecular Neuroscience [IF: 6.261]
① 切除并收集受精后7 d的转基因y304Et斑马鱼（Danio rerio）幼体头部，对13,320个细胞进行scRNA-seq，确认了25种视觉顶盖（optic tectum，OT）细胞类型，首次在单细胞分辨率下深入解析OT的发育模式，为未来关于OT形态和基因表达关联研究提供更多遗传信息。
② 使用gng8、nrxn3a和robo4探针进行杂交链式反应RNA荧光原位杂交（HCR RNA- fish），验证了该研究聚类方法的准确性，并实现了对未鉴定细胞群体的空间定位。
③ 幼体OT包含至少3个神经胶质类型和22个神经元群体（7个成熟和15个未成熟群体），提供一份详细的OT细胞类型、发育阶段和神经元轮廓的分类总结，并利用RNA速率分析预测了未来分化群体的转录状态。
④ 确定了成熟顶盖神经元的神经元分布，多数成熟神经元群体具有GABA能活性，少数具有谷氨酸能活性或甘氨酸能活性，发现OT8和OT9表达谷氨酸能、甘氨酸能和胆碱能受体构建基因，具有发送抑制信号和接收兴奋输入的功能。
⑤ 表征不同OT细胞群体的差异转录因子，发现OT2是发育终端细胞（高表达jdp2b），观察到ybx1和atf4a在OT中广泛表达，为进一步研究OT特性提供了新途径。
⑥ 自闭症障碍（autism spectrum disorder，ASD）发病有关基因在OT中差异表达（prex1、nrxn3a、aspm和nr4a2a等），突出了研究上丘脑（或OT）和ASD发病机制之间的联系潜力。（徐晓静）
斑马鱼视觉顶盖细胞scRNA-seq数据分析流程图及单细胞图谱
Single-cell RNA sequencing characterizes the molecular heterogeneity of the larval zebrafish optic tectum.
2022.02.10, DOI：10.3389/fnmol.2022.818007
研究文章；脑科学；斑马鱼，脑，视顶盖，细胞类型，scRNA-seq; Annalie Martin, Jonathon T. Hill, Arminda Suli; Brigham Young University; United States.
视觉器官
Visual Organ
人眼外流组织单细胞转录组研究
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [IF: 9.412]
① 从8个不同的供体眼中分离出小梁网（trabecular meshwork，TM）组织，采用scRNA-seq分析，从8,758个细胞中获得了17,757个基因表达谱，绘制了一个完整的人类眼小梁网和邻近组织的细胞图谱。
② 聚类鉴定出12种细胞类型，并绘制了与青光眼相关的候选基因的细胞特异性表达图谱。
③ TM中鉴定出两种具有不同表达模式的细胞类群：成肌纤维细胞样细胞和成纤维细胞样细胞；并在TM中找到了神经膜细胞样细胞簇（Schwann cell like cell cluster）和巨噬细胞的识别特征基因，如PECAM1、MMRN1和FLT4；此外，其他的表达簇对应于来自邻近组织睫状肌和巩膜脊的细胞，表明这些细胞在葡萄膜巩膜流出通路发挥作用。
④ 人眼外流组织第二大主要结构——莱姆氏管，显示出淋巴/血管基因表达的独特组合特性。
⑤ 通过将与青光眼相关基因定位到人眼外流组织的细胞类型上，比较由该scRNAseq数据所得的与青光眼相关的基因同前人的研究结果是否一致，证明了该图谱的实用性。（Yuki）
不同细胞簇中青光眼相关基因的表达（平均UMI）
注：对于每个基因，饱和黄色代表分子定义的细胞类型中的最高表达，饱和蓝色代表最低表达，中间颜色的阴影代表中表达。
Molecular taxonomy of human ocular outflow tissues defined by single-cell transcriptomics.
2020.05.21, DOI: 10.1073/pnas.2001896117
研究文章；生命结构；人，眼睛，青光眼，眼小梁网，眼部外流结构，scRNA-seq; Gaurang Patela, Wen Furya, W. Daniel Stamerb, Carmelo Romanoa; Regeneron Pharmaceuticals, Inc., Duke University; USA, UK.
空间整合scRNA-seq和scATAC-seq鉴定果蝇眼触角盘的基因组增强子
Molecular Systems Biology[IF: 8.991]
① 结合scRNA-seq和scATAC-seq分析果蝇第三龄期幼虫眼-触角盘，分别获取到3,531和15,387 个高质量细胞，全面绘制了果蝇眼-触角盘scRNA-seq和scATAC-seq图谱，并利用拟时序分析方法ScoMAP构建了虚拟的2D组织模型，即虚拟眼-触角盘。
② 利用大量的增强子-报告系，确定了85%的染色质区域的可及性和增强子活性存在耦合关系；在虚拟空间（latent space）中推断增强子与基因之间的关系，发现基因主要受多个、通常是冗余的增强子调控。
③ 通过细胞类型特异性染色质可及性数量性状位点（chromatin accessibility quantitative trait loci，caQTL）分析，揭示了影响染色质可及性的关键转录因子结合位点。
④ 光感受器增强子中富含的GGG基序受转录因子Prospero的约束，进而驱动神经元分化。（周晶）
研究设计与主要发现
Identification of genomic enhancers through spatial integration of single-cell transcriptomics and epigenomics.
2020.05.01, DOI: 10.15252/msb.20209438
研究文章；生命结构；果蝇，眼睛，触角盘，增强子，基因调控，scRNA-seq, scATAC-seq, 空间整合；Carmen Bravo González-Blas, Stein Aerts; VIB Center for Brain & Disease Research, KU Leuven; Belgium.
眼球不同黄斑亚区的人类感光细胞具有不同的转录谱特征
Human Molecular Genetics [IF: 6.150]
① 利用8个人类供体视网膜，通过bulk（n=4）和单细胞RNA-seq（n=4）分析配对的中央凹（1 mm）和副中央凹（4 mm）样本，比较中央视网膜同心区域内的基因表达情况，提供了非常详细的视网膜转录组的空间特异特征，突出了不同视网膜区域的独特分子特征。
② 采用bulk RNA-seq分析比较视网膜中央凹、副中央凹和黄斑区域的基因表达谱，在视网膜中央凹和副中央凹区域之间的转录最相似，共有359个基因差异表达；中央凹和黄斑区域之间的转录最不同，共有1,667个基因差异表达。
③ 利用scRNA-seq进一步比较视网膜中央凹和副中央凹区域的基因表达，识别了锥体光感受器、杆状光感受器和Müller细胞中独特的基因表达模式，还包括许多相关的转录因子。
④ 鉴定了3个不同的具有区域富集的亚型基因，其中，类维生素A相关的孤儿受体B（RORB）基因在水平细胞和Müller细胞中表达最高，在中央凹和副中央凹之间的表达相当；PPFIA1在星形胶质细胞和Müller胶质细胞中表达最高；KCNAB2在视网膜神经节细胞和无分泌细胞中表达量最高。
⑤ 该研究的人类视网膜scRNA-seq数据可从在线Spectacle（https:// singlecell-eye.org）获取，该数据集可用于查询基因表达、重新聚类和高度灵活的差异表达分析（黄翔/Lina）
研究设计与主要发现
Human photoreceptor cells from different macular subregions have distinct transcriptional profiles.
2021.05.20, DOI: 10.1093/hmg/ddab140
研究文章；生命结构；人，眼球，视网膜，黄斑，中央凹，副中央凹，基因表达，scRNA-seq; Andrew P. Voigt, Robert F. Mullins; The University of Iowa Carver College of Medicine, Institute for Vision Research, the University of Iowa; USA.
眼睛演化与疾病
Eye Evolution and Disease
scRNA-seq跨物种分析眼球壁调节机制
Nature Communication [IF: 14.919]
① scRNA-seq分析人（n=6）和猪的眼球6个不同区域（虹膜、角膜、脉络膜、巩膜、视网膜和视网膜色素上皮），总共检测到约50,000个细胞和24,075个基因，可区分成16个细胞簇，识别出9种细胞类型，并鉴定了双极细胞（bipolar cells，BPs）的亚群，首次构建了人和猪眼睛的单细胞转录组图谱。
② 斑马鱼视网膜中穆勒（Muller）胶质细胞拥有极强再生能力，跨物种比较视网膜细胞类型的多样性和保守性，发现哺乳动物由于缺失了与再生功能相关的基因，导致其Muller胶质细胞不具备再生能力。
③ 通过细胞群体间配体-受体相互作用关系分析，解析了眼睛各个结构间细胞微环境和通讯激活途径。
④ 分析了与色盲、角膜疾病、眼癌、眼动障碍、黄斑变性、视神经疾病、视网膜疾病、视力障碍和失明等相关的基因在眼睛中的表达，绘制了一张眼睛致病单细胞表达图谱。
⑤ 根据病毒受体和感染通路，绘制了一幅病毒（如SARS-CoV-2）感染细胞表面蛋白的图谱。
⑥ 体外诱导人胚胎干细胞分化成视网膜神经节细胞（retinal ganglion cell，RGC），KLF7基因的过表达和敲除实验，验证了KLF7基因（Kruppel-like因子7）可以促进RGC的生成和成熟。（郭群飞）
人和猪眼球的scRNA-seq文库建立
Multi-species single-cell transcriptomic analysis of ocular compartment regulons.
2021.09.28, DOI: 10.1038/s41467-021-25968-8
研究文章；生命结构，疾病病理；人，猪，眼睛，眼睛疾病，scRNA-seq；Pradeep Gautam, Kiyofumi Hamashima, Hu Li, Timothy A. Blenkinsop, Yuin-Han Loh; A*STAR Institute of Molecular and Cell Biology, National University of Singapore; Singapore.
时空技术
Spatial-Temporal Technology
Light-Seq：光定向原位条形码编码固定细胞和组织中的生物分子以用于空间索引测序
Nature Methods [IF: 47.990]
① 开发了一种DNA纳米驱动技术——Light-Seq，这是一种在固定细胞和组织中使用光定向DNA条形码对完整生物样本进行多路空间索引，然后进行原位测序的方法。
② 将这种条形码策略与无损工作流程相结合，可以对固定样本中选定的细胞进行成像和全转录组测序，并有可能重新对样本进行进一步的分析，如蛋白质染色。
③ 应用Light-Seq分析小鼠视网膜切片，从3个细胞层中恢复了数千个不同富集的转录本，并鉴定了一种非常罕见的神经元亚型（多巴胺能无峰细胞）的生物标志物，这证实了Light-Seq的适用性。（Lina）
光调控的DNA光交联
Light-Seq: light-directed in situ barcoding of biomolecules in fixed cells and tissues for spatially indexed sequencing.
2022.10.10, DOI: 10.1038/s41592-022-01604-1
研究方法；时空技术；小鼠，视网膜，神经元，Light-seq; Jocelyn Y. Kishi, Ninning Liu, Emma R. West, Constance L. Cepko , Sinem K. Saka , Peng Yin; Harvard University, Harvard Medical School; USA.
生信工具
Bioinformatics Tools
结合scRNA-seq和顺序荧光原位杂交数据识别空间相关亚群
Nature Biotechnology [IF: 35.724]
① 开发了一种基于隐马尔可夫随机场模型（hidden-Markov random field，HMRF）的计算方法，通过整合基于测序（scRNA-seq）和成像（smFISH）的单细胞转录组分析，使用跨平台细胞类型映射区分对全局基因表达的内在和外在影响，且该方法广泛适用于分析来自不同模型系统的不同组织。
② 应用这种方法来剖析小鼠视觉皮层区域中与细胞类型和空间域相关的异质性，确定了谷氨酸能和星形胶质细胞隔室中不同的空间相关的、细胞类型独立的特征。
③ 使用这些特征来分析scRNA-seq数据，确定了以前未知的空间相关亚群，这些亚群通过与解剖结构和Allen Brain Atlas图谱的比较进行了验证。（刘桂林）
Identification of spatially associated subpopulations by combining scRNAseq and sequential fluorescence in situ hybridization data.
2018.10.29, DOI: 10.1038/nbt.4260
研究文章；生信工具；小鼠，脑，视觉皮层，隐马尔可夫随机场模型，scRNA-seq, smFISH; Qian Zhu, Long Cai, Guo-Cheng Yuan; Dana-Farber Cancer Institute and Harvard T.H. Chan School of Public Health, Division of Biology and Biological Engineering; USA.
系列导读
● Nat Neurosci | 单细胞原位转录组图谱揭示哺乳动物大脑皮层中星形胶质细胞分层
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