脊椎發(fā)育研究新進(jìn)展
《Cell Research》刊發(fā)論文
2024年1月5日，廣東省智能科學(xué)與技術(shù)研究院（簡稱：智能院）時穎超研究員（神經(jīng)細(xì)胞圖譜與認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)研究組）和北京師范大學(xué)王曉群教授、吳倩教授在國際著名學(xué)術(shù)期刊《Cell Research》(細(xì)胞研究)上發(fā)表了題為“Decoding the spatiotemporal regulation of transcription factors during human spinal cord development”的論文，該研究建立了一種解碼轉(zhuǎn)錄因子(TF)表達(dá)的空間轉(zhuǎn)錄組方法(TF- seqFISH)，并綜合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序及10x Visium空間轉(zhuǎn)錄組等技術(shù)手段，繪制了胚胎期人類脊髓發(fā)育的時空轉(zhuǎn)錄組圖譜，系統(tǒng)解析了人脊髓發(fā)育的時空特征和調(diào)控機(jī)制。
該研究建立了一種解碼轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)的
空間轉(zhuǎn)錄組方法
脊髓作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要組成部分，是連接大腦和周圍神經(jīng)的重要橋梁。脊髓對于機(jī)體感知刺激及與環(huán)境互動至關(guān)重要。一方面它通過背角神經(jīng)元接受來自皮膚、肌肉和內(nèi)臟器官的感覺信息并傳遞給高級中樞；另一方面它通過腹角的運(yùn)動神經(jīng)元執(zhí)行運(yùn)動指令。脊髓復(fù)雜多樣的細(xì)胞構(gòu)成是實現(xiàn)感覺及運(yùn)動功能的基礎(chǔ)。脊椎動物脊髓的細(xì)胞命運(yùn)決定受到嚴(yán)格的時空調(diào)控，以確保精確無誤地建立神經(jīng)回路。探究脊髓發(fā)育的時空調(diào)控機(jī)制對于研究發(fā)育障礙疾病及為脊髓損傷提供治療思路有重要意義。雖然在小鼠及雞等模式動物中進(jìn)行了大量的研究，人類脊髓發(fā)育的時空調(diào)控機(jī)制尚知之甚少。
轉(zhuǎn)錄因子對于調(diào)控脊髓發(fā)育至關(guān)重要。為了解析轉(zhuǎn)錄因子在人脊髓發(fā)育過程中的空間表達(dá)規(guī)律，經(jīng)過多年攻關(guān)，團(tuán)隊研發(fā)出了基于單分子成像的單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)TF-seqFISH（Transcription Factor sequential Fluorescence In Situ Hybridization），該技術(shù)可以檢測人1085個轉(zhuǎn)錄因子的mRNA在單個細(xì)胞中的亞細(xì)胞定位和表達(dá)量 （圖 1）。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用TF-seqFISH結(jié)合基于10x Visium的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，以及涵蓋了人脊髓發(fā)育多個時期的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，提供了單個細(xì)胞和基因表達(dá)的空間位置信息，從而為探究人脊髓發(fā)育的時空調(diào)控機(jī)制提供了寶貴的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
TF-seqFISH高質(zhì)量檢測轉(zhuǎn)錄因子的空間定位及表達(dá)量
本研究發(fā)現(xiàn)發(fā)育期VZ區(qū)的人脊髓神經(jīng)祖細(xì)胞并不是勻質(zhì)的，而是呈現(xiàn)出了多樣的分子特征且沿背腹軸有序分布。基于經(jīng)典基因的表達(dá)模式以及發(fā)育軌跡分析的結(jié)果，作者在scRNA-seq數(shù)據(jù)中定義出了不同的神經(jīng)祖細(xì)胞和神經(jīng)元亞型，并確定了其譜系對應(yīng)關(guān)系。TF-seqFISH提供了一個解析轉(zhuǎn)錄因子的空間表達(dá)模式的良好平臺。借助于TF- seqFISH和scRNA-seq數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析，研究人員進(jìn)一步闡明了不同的神經(jīng)祖細(xì)胞亞型沿背腹軸的空間分布模式（dp1 dp2 dp3-6 p0/1 pMN p2/3）（圖 2）。另外，本研究也解析了在內(nèi)外軸方向上進(jìn)行的神經(jīng)發(fā)生、分化、遷移及成熟等過程 。
發(fā)育期人脊髓神經(jīng)祖細(xì)胞和關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子在背腹軸的空間排布模式
脊髓背角負(fù)責(zé)處理感覺信息，其神經(jīng)元空間排布呈現(xiàn)出分層模式。不同層的背角神經(jīng)元處理不同的感覺信息。但是有關(guān)脊髓背角發(fā)育及神經(jīng)元有序排布的機(jī)制尚缺乏研究。在本研究中，借助于10X Visium 空間轉(zhuǎn)錄組，研究人員發(fā)現(xiàn)在人脊髓背角中存在早期（早于GW8）和晚期（晚于GW8）兩波神經(jīng)發(fā)生事件，并確定了GW8是關(guān)鍵的時間點。得益于空間信息的可獲取性，本研究還揭示了早期和晚期產(chǎn)生的神經(jīng)元分別定位于脊髓背角的深層和淺層，這對于解析脊髓背角神經(jīng)元分層排布模式的建立機(jī)制有重要意義 （圖3）。另外，通過聯(lián)合分析scRNA-seq和10x Visium空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，本研究進(jìn)一步確定了早期和晚期產(chǎn)生的神經(jīng)元的細(xì)胞身份。特別值得一提的是，本研究基于TF-seq FISH 數(shù)據(jù)首次報道了在人脊髓背角中瞬時存在由興奮性和抑制性中間神經(jīng)元所形成的三明治樣（Sandwich-like）的細(xì)胞排布模式。這種Sandwich-like結(jié)構(gòu)存在于所有脊髓節(jié)段中且在小鼠脊髓中也可以檢測到，提示其可能在進(jìn)化上是保守的。此外，本研究也解析了腹角運(yùn)動神經(jīng)元和脊髓星形膠質(zhì)細(xì)胞多樣性形成的分子及時空調(diào)控程序，并發(fā)現(xiàn)調(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞空間定位的分子機(jī)制和神經(jīng)元在很大程度是一致的。
人脊髓背角神經(jīng)元發(fā)生及空間排布模式圖
另外，本研究在胚胎發(fā)育期的人脊髓中發(fā)現(xiàn)了一類與疾病相關(guān)小膠質(zhì)細(xì)胞（Disease Associated Microglia, DAM）相類似的小膠質(zhì)細(xì)胞（DAM-like microglia）。這類DAM-like小膠質(zhì)細(xì)胞主要分布于人脊髓白質(zhì)且其出現(xiàn)時間與人脊髓髓鞘發(fā)生時間相吻合，提示可能參與人脊髓髓鞘發(fā)生過程。scRNA-seq和ALS GWAS數(shù)據(jù)聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)DAM-like小膠質(zhì)細(xì)胞富集表達(dá)ALS致病基因，提示其可以作為研究ALS致病機(jī)制的新靶點，為研究和治療ALS提供了新思路。
北京師范大學(xué)吳倩教授、王曉群教授和廣東省智能科學(xué)與技術(shù)研究院時穎超研究員為文章的通訊作者。廣東省智能科學(xué)與技術(shù)研究院時穎超研究員、中國科學(xué)院生物物理研究所博士研究生黃露葦、董豪和昌平國家實驗室楊萌博士為文章的并列第一作者。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、廣東省高水平創(chuàng)新研究院項目、科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目、新基石科學(xué)等基金和項目的資助。
