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21篇论文齐发!《科学》专辑:迄今最全面的人类脑细胞图谱
来源:药明康德 | 2023/10/21 17:49:23 | 浏览:1358 | 评论:0

顶尖学术期刊《科学》(Science)发布了“脑细胞普查”(Brain Cell Census)专题,一共21篇研究论文同时在《科学》及其子刊《科学-进展》(Science Advances)和《科学-转化医学》(Science Translational Medicine)上线,分享了迄今为止最全面的人类和非人灵长类动物大脑细胞图谱,堪称重磅。

21篇论文齐发!《科学》专辑:迄今最全面的人类脑细胞图谱《科学》杂志本期封面介绍了脑细胞普查项目(图片来源:Science官网)

这些成果汇集了全世界数百名科学家的努力,均来自“脑计划-细胞普查网络”项目,简称BICCN(BRAIN Initiative Cell Census Network)。“脑计划”全称为“使用创新神经技术的脑研究计划"(Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative),简称刚好是BRAIN Initiative,由美国国立卫生研究院(NIH)2013年启动。从2017年起,随着单细胞测序技术的高速发展,整合细胞的分子、形态学、生理学和解剖学等信息和特征,BICCN项目启动,旨在用前沿技术对小鼠、非人灵长类动物和人类大脑的细胞类型进行识别和分类,以及针对特定细胞类型开发新的遗传工具。

两年前,也就是2021年10月,《自然》杂志曾一次性上线16篇研究论文,报告了BICCN项目的阶段性研究成果:在分子水平上全面绘制哺乳动物初级运动皮层细胞类型的特征。

在此次新发布的专题中,BICCN项目的众多科研小组利用先进的分子生物学技术开展了一系列研究,尤其是从单细胞层面以前所未有的颗粒度解析了人脑的组织结构包括成年人脑和胚胎期正在发育的人脑,识别和描绘出了人脑细胞类型的惊人多样性,为认识人类精神和神经疾病的机制提供线索,也让我们对人类这一物种的身份有新的认识

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综合转录组学、蛋白质组学、表观遗传组学的高通量单细胞图谱显示出人脑细胞的多样性和特异性(图片来源:参考资料[13])

《科学》杂志高级编辑Mattia Maroso博士对这一专题评论说:"现在,BICCN收集的数据将使研究人员能够解决有关人脑的基本科学问题人脑研究的细胞时代正在叩响我们的大门!"

在这篇文章中,我们来一览《科学》此次刊登的12篇研究论文。

新技术的推动

21篇论文齐发!《科学》专辑:迄今最全面的人类脑细胞图谱

索尔克研究所(The Salk Institute for Biological Studies)的Joseph Ecker教授是这一项目的负责人之一,他指出此次发表的研究是首次将最初在小鼠身上开发和应用识别脑细胞亚型的技术应用于人类大脑。这些新方法的转化效果标志着“脑科学新时代的开始”。

2020年,Ecker教授领导的研究团队根据DNA上的甲基化标记,分析了小鼠大脑中的160多种细胞,这种方法可以解析基因的“开关状态”。此次,他们使用同样的工具分析了三个成年男性捐献的大脑,对46个脑区的50多万个细胞展开DNA甲基化模式的分析与此同时,研究人员还使用了另一种技术,分析每个细胞中的基因组三维结构,以便了解DNA序列中哪些片段可能正处于被积极读取的状态。

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应用于人脑细胞类型分析的新技术(图片来源:参考资料[3])

通过测试这些新技术在人脑中的应用,科学家们预计,随着样本量的增加,有可能在人脑中发现小鼠中没有的独特细胞类型。

惊人的多样性

瑞典卡罗林斯卡医学院(Karolinska Institute)和艾伦脑科学研究所(Allen Institute for Brain Science)合作,基于三个志愿者捐赠的成年大脑,通过单细胞转录组学分析了300多万个细胞的细胞核。

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根据基因差异定义细胞类型,这项研究发现,人脑由3000多种不同类型的细胞组成,其中约80%是各类神经元,其余是不同种类的神经胶质细胞

这支研究团队将大脑细分为100多个解剖区域,发现每个脑区都包含特定类型和状态的细胞。许多特殊的神经元群体集中分布在特定的脑区;神经胶质细胞的异质性虽不如神经元明显,但也表现出了明显的因区域而异。

不同于与以往研究常常集中在大脑皮质,新研究揭示,脑干是神经元多样性最丰富的脑区。“我们认为,其中一些细胞控制着先天行为,如疼痛反射,恐惧,攻击,性行为等。”负责人之一Sten Linnarsson教授指出。

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▲成人大脑细胞类型的区域特异性(图片来源:参考资料[1])

大脑皮质被认为负责人类的高级认知功能,艾伦脑科学研究所的一个研究小组进一步分析了成人大脑皮质的8个区域,同样发现大多数脑区包含相同的主要细胞类型,主要区别在于各类细胞所占的比例,以及非神经元细胞所在的皮层

有趣的是,初级视觉皮层(V1)似乎是个例外:V1区拥有几种特异性的抑制性神经元类型,是人类和其他灵长类动物在这一区域特有的。

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▲除V1外,大脑皮质所有区域的兴奋性神经元和抑制性神经元比例是相似的(图片来源:参考资料[5])

除了区域差异性外,脑细胞的基因表达还存在个体差异。其中一项研究首次使用单细胞技术比较了大量个体的脑组织后得出了这一结论。

在这项工作中,75名因为难治性癫痫或脑部肿瘤而接受外科手术的成年志愿者向科学研究提供了珍贵的大脑皮质样本,研究人员对其中“颞中回”区域的脑细胞类型组成和细胞基因表达的变化展开了详细分析。结果显示,尽管不同个体之间存在高度一致的细胞构成,但也存在可以反映出个体特征、疾病状况和遗传调控变异的大量变异。这些结果也为未来研究健康和疾病状态下的细胞分型提供了参考。

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单核细胞RNA测序(snRNA-seq)和全基因组测序(WGS)分析揭示了人类皮层细胞类型的个体差异(图片来源:参考资料[4])

人脑特殊在哪里

大脑细胞有哪些特征是人类与非人灵长类动物所特有的,也是BICCN项目想要回答的一个关键问题。艾伦脑科学研究所的一支团队通过单核转录组学比较了成年人类、黑猩猩、大猩猩、猕猴和普通狨猴的大脑皮质

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研究表明,我们与进化上的近亲拥有相同的主要脑细胞类型构成,但是那些保守的细胞类型使用的基因——只有几百个——发生了变化。具体来说,人类和其他灵长类动物在神经元连接和脑回路形成方面的许多基因是不同的。

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人类、黑猩猩的大脑皮质颞中回(MTG)显示出高度相似的细胞类型组成和分层结构(图片来源:参考资料[6])

研究小组还有一个有趣的发现是,尽管黑猩猩和人类有着更近的共同祖先,但黑猩猩的神经元特征与大猩猩更接近,而不是与人类更接近。

还有两项研究重点分析了在小鼠中没有、但在人类大脑中发现的细胞类型,例如根据外形命名的“双花束细胞”(double-bouquet cell)、“玫瑰果神经元”(rosehip neuron)。利用快速病毒基因标记和膜片钳电生理学结合RNA测序(Patch-seq),研究人员靶向神经外科手术切除的活组织,从中分析了这些神经元,包括它们的放电特性、复杂的形态学,以及开启的基因。

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利用新技术分析人脑皮质中多样化的GABA能神经元(图片来源:参考资料[9])

研究大脑疾病的新视角

加州大学圣地亚哥分校(UCSD)任兵教授领导的研究,通过对染色质可及性的单细胞测序,揭示了特定脑细胞类型与精神分裂症、双向情感障碍、阿尔茨海默病、重度抑郁症等19种神经和精神疾病之间的关联;并开发了人工智能深度学习模型,可以预测这些疾病的风险。

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人类基因组中有数以万计的序列变异与神经精神疾病的病因相关,但它们主要位于编码区之外,因此解释这些已知风险变异的作用一直是一大挑战。这些非编码疾病风险变异可能通过扰乱转录调控元件(transcriptional regulatory element)来发挥作用,调控与神经精神疾病相关的细胞的基因表达,而转录调控与染色质可及性密切相关。

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研究团队通过单核ATAC-seq测序技术,对3个人脑样本中42个不同脑区的110万个脑细胞进行测序分析,探索其开放染色质景观。这些数据定义了107种不同的细胞类型,揭示了这些细胞类型中超过54万个候选转录调控元件的染色质可及性状态。其中近三分之一的转录调控元件在小鼠脑细胞中表现出保守性和染色质可及性,强调了其功能重要性。

追踪大脑各部分发育细节

在一系列论文中,有4篇重点关注了大脑的发育过程。

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人的大脑皮质在胎儿出生前数月开始发育,并延续到出生后数月。该过程会受到精细调控,不同细胞的生长、分化和成熟,对大脑的复杂结构和功能至关重要。为了跟踪大脑皮质的发育轨迹,加利福尼亚大学旧金山分校(UCSF)Arnold R. Kriegstein教授团队,从不同阶段的人类皮质样本中收集了大量小核RNA(snRNA)测序数据,并进行了单细胞轨迹分析。

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▲不同发育阶段的细胞类型和分子特征变化(图片来源:参考资料[11])

在此基础上,研究团队绘制出了全面的皮层谱系转录组图谱,他们确认特定皮层细胞的发育程序,包括兴奋性神经元、中间神经元和胶质细胞的亚型。此外,研究还确定了皮层发育时的关键转录网络,以及性别特异性的发育变化,对探索发育性大脑疾病、自闭症有重要意义。

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Sten Linnarsson教授团队的另一篇论文重点关注了大脑不同区域的发育过程。根据论文,成年大脑的每个区域由数十到数百种不同的细胞组成,这种复杂的细胞组合和排列在胚胎发育的前三个月就会建立起来

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▲胚胎前三个月的人类大脑细胞图谱(图片来源:参考资料[7])

这也是科学家首次对大脑发育前三个月进行全面研究,作者强调了大脑早期发育模式事件的重要性,并且研究数据能为一些特定脑区的疾病提供潜在的治疗靶点。

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耶鲁医学院Pasko Rakic教授团队则借助恒河猴的样本,关注了整个端脑的发育过程,以及在此过程中调节神经细胞空间分布的分子过程。根据对70多万单细胞测序的结果,研究区分出了神经发生中多种细胞的亚型,包括神经干细胞,兴奋性和抑制性神经元、胶质细胞以及非神经细胞。

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端脑发育图谱(图片来源:参考资料[8])

此外,研究者还确定了端脑中心发育早期的祖细胞,并以此预测出了协调该细胞模式功能的基因调控网络。这些资源可以使科学家更好地研究灵长类动物和人类端脑的发育、大脑进化以及疾病。

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最后一篇论文关注了丘脑的发育过程。丘脑是大脑与外界沟通的关键节点,并且哺乳动物的丘脑核团数量与投射模式相对保守。来自加州大学旧金山分校的Tomasz J. Nowakowski教授团队重点分析了人类丘脑发育时的细胞类型和空间组织等特征。

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人类丘脑发育时的细胞类型和空间组织等特征(图片来源:参考资料[12])

根据分析结果,在妊娠早期,丘脑会出现神经发生,产生谷氨酸能和GABA能神经元;到妊娠中期,谷氨酸能神经元会分化成两种亚型,而丘脑中GABA能神经元数量会显著增加,并开始广泛分布。

除此之外,他们观察到神经胶质细胞的空间分辨模式,以及随时间的发生与成熟过程,比如星形胶质细胞的两种亚型,一种会在丘脑富集,另一种则会在丘脑附近的大脑区域富集。这些结论会有助于帮助理解人类大脑进化过程,尤其是提升对丘脑发育的认知。

在对这一系列工作的总结中,NIH的脑计划主任John Ngai博士评论道:“目前的一系列研究代表了一个里程碑式的成就,为进一步阐明人类大脑在细胞水平上的复杂性架起重要桥梁。”

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