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《Science | 发育中的人类丘脑的时空分子动力学》

  • 来源专题：战略生物资源
  • 编译者： 李康音
  • 发布时间：2023-10-14

  • 2023年10月13日，加利福尼亚大学的研究人员在Science 上发表了题为Spatiotemporal molecular dynamics of the developing human thalamus的文章。

    丘脑在大脑中起着中心协调作用。丘脑神经元被组织成空间上不同的核，但丘脑发育的分子结构知之甚少，特别是在人类中。为了开始描述发育中的人类丘脑中细胞命运规范和组织的分子轨迹，该研究使用了单细胞和多重空间转录组学。

    研究人员发现，分子定义的丘脑神经元在人类发育的第二阶段分化，这些神经元组织成空间和分子上不同的核。该研究确定了在解剖学上不同的核中差异富集的谷氨酸能神经元亚型的主要亚型和在丘脑核中共享和不同的γ -氨基丁酸介导(GABAergic)神经元的六种亚型。

    本文内容转载自“ CNS推送BioMed”微信公众号。

    原文链接: https://mp.weixin.qq.com/s/IwI13twn10xlGUJsNbQekg

  • 原文来源：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adf9941
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  • 《遗传发育所发表关于神经祖细胞“时空之旅”的综述论文》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2022-10-31
    •   神经系统的结构为其功能的发挥奠定了基础。在一系列时空（spatio-temporal）编码因子的调控下，起源于神经干细胞池的神经系统产生高度多样化的神经元。随后，未成熟的神经元迁移定居，神经元与神经元、神经元与靶组织间的精密连接标志着神经系统的高度完善。因此，在探究大脑奥秘的过程中，揭开哺乳动物脑神经元多样性的起源至关重要。   10月10日，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员吴青峰团队在《神经科学通报》（Neuroscience Bulletin）上，发表了题为A Spacetime Odyssey of Neural Progenitors to Generate Neuronal Diversity的综述论文。该综述总结了哺乳动物神经祖细胞池产生多样化神经细胞的三种不同策略：（1）命运预决定模型（Predetermined strategy）：在特定时间窗口，神经祖细胞的命运已被决定，必然分化为一种特定的神经元亚型，哺乳动物大脑皮层的神经祖细胞主要采取这一策略；（2）随机决定模型（Stochastic strategy）：每个神经祖细胞的分化存在多种潜在状态，像量子论一样每种状态都有不同的发生概率，脊椎动物视网膜的发育过程即是示例；（3）级联多样化模型（Cascade diversifying strategy）：在细胞命运特化过程中，沿着细胞谱系阶层的多种细胞类型逐步级联放大以促进终末神经元的命运多样化，哺乳动物下丘脑的神经发生过程即遵循级联放大规律。同时，该研究结合神经系统的时空发育模式阐述了神经祖细胞池在大脑皮层、脊髓、视网膜和下丘脑中的发生发展过程。   该综述还总结了哺乳动物神经发生的时空编码机制。哺乳动物体内神经祖细胞的空间编码与其时间动力学特征应是相互协调、密不可分的，以更精确的控制神经元产生。新生神经元迁移过程中的微环境因子、自发性电发放、神经元的上下游连接和随机的转录因子表达等因素都可进一步塑造神经元的命运和身份。综上，该论文总结了神经细胞多样性产生的机制，为后续大脑发育的概念突破和神经元替代性治疗等提供重要的理论支撑。   研究工作得到科技部、国家自然科学基金及中国科学院战略性先导科技专项的支持。
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  • 《广州健康院开发新型空间多组学技术解密小鼠脑发育的时空谱系》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2023-05-26
    • 　2023年5月25日，中国科学院广州生物医药与健康研究院彭广敦课题组在Nature methods上发表了题为Simultaneous profiling of spatial gene expression and chromatin accessibility during mouse brain development的研究论文。文章揭示了一种名为MISAR-seq的空间多组学技术(Microfluidic indexing-based spatial assay for ATAC and RNA-sequencing）。该技术通过微流控芯片依赖的靶向barcode递送系统，在保留细胞空间位置信息的前提下同时实现了细胞内ATAC和RNA两种组学信息的捕获，并成功将其应用在了胚胎期小鼠脑发育机制的研究中，不仅首次构建出了小鼠脑发育的时空多组学图谱，同时也揭示了启动子及增强子形成的顺式调控元件在脑发育中的具体调控机制。 　　单细胞多组学技术已经可以实现一次性获取同一细胞内的多个组学信息，但也伴随着其空间位置信息丢失，空间组学技术技术不仅可以很好地保留细胞原位的空间位置信息，还可以同时捕获细胞内的转录组信息。但是，目前的空间组学技术主要局限于单个组学信息的捕获。如果能够开发出一种在同一组织中同时捕获多个组学信息的空间多组学技术，将其用于捕获人体内的所有细胞，并构建出单细胞分辨率的三维数字化人，将会极大的帮助我们解析人类细胞的时空谱系及相关调控机制，从而更好的服务于人体衰老和疾病的治疗。 　　MISAR-seq具有同时在一个空间位置样本上分析RNA与ATAC信息的能力。因此，研究人员特别关注了E11.0、E13.5、E15.5及E18.5的多个胚胎期小鼠脑的发育。首先，研究人员验证了MISAR-seq的数据质量，发现基于空间双组学的ATAC及RNA数据与其相应单组学数据的质量接近甚至更好，每个单元数据点所检测到的基因数大致在2500-3500之间。进一步和单细胞数据的整合分析显示，该技术所捕获到的脑细胞类型与相应单细胞的脑结构注释也非常吻合。 　　接下来，研究人员将具有不同发育时期且包含两种组学信息小鼠脑发育数据进行了整合分析，并开发了基于空间位置限制与图像特征提取结合的生物信息学工具，有效提高了不同组学在多个不同时期点之间数据的“横向”与 “纵向”整合能力，从而绘制出了小鼠脑发育的时空多组学图谱。结果发现，无论是单独使用MISAR-seq ATAC或RNA数据，或者是同时使用两种组学数据（Combined）进行空间聚类均能较好的进行脑区划分，且聚类结果与Allen Brain Atlas的注释均较为一致。 　　最后，基于已获得的MISAR-seq数据，研究人员通过绘制两种组学在皮层发育的空间和时间的轨迹，尝试进一步解释皮层发生过程中染色质开放与基因表达之间的级联调控关系。研究人员发现Pax6-Eomes-Tbr1形成的直接级联调控建立了小鼠皮层发生过程中基因表达的顺序和区域特异性。这些结果表明，多组学的时空轨迹分析可以较好的预测决定细胞命运的重要驱动元件，并且可以提供TF的具体相互作用模式，从而对诸如皮层等复杂结构的形成施加精确的调控。 　　下一步，研究人员期待MISAR-seq能在空间分辨率以及三维组织解析上得到进一步的优化和拓展，且能够兼容更多的组学信息，并基于此开发更好的空间多组学基因调控网络分析工具，从而揭示驱动结构复杂组织中细胞身份和功能决定的具体机制。 　　研究团队主要由来自中国科学院广州生物医药与健康研究院、生物岛实验室、广州实验室的人员组成。博士生江伏青，钱莹莹、朱淼及实习研究员周鑫等人为该论文的共同第一作者，彭广敦研究员为论文的通讯作者。研究工作还得到了广州实验室崔桂忠研究员、昆明理工大学陈凯研究员的帮助。
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