scRNA-seq與scStereo-seq相結合解析人腦多區(qū)域時空發(fā)育轉錄組圖譜

腦作為人類最復雜的器官，這些不同腦區(qū)具有特殊的輸入輸出連接，發(fā)揮各種重要的功能。在人腦發(fā)育過程中，通過內在基因程序產生了復雜的細胞類型。在這些細胞類型中，有些已經有了明確的特征，但還有許多尚待清晰描述。因此，在人類腦區(qū)逐漸特化的發(fā)育過程中，腦細胞類型的變化特征和空間分布特點需要進行全面、系統(tǒng)地研究。

近幾年，單細胞轉錄組學研究探索了人腦特定區(qū)域以及發(fā)育早期的多個區(qū)域，同時極少的空間組學研究聚焦于發(fā)育早期孕6周（gastrulation week 6，GW6）左右單個時間點的人腦空間圖譜。然而，目前還缺乏對腦發(fā)育后期連續(xù)時間點的高分辨率空間研究�？紤]到人腦體積在發(fā)育過程中的急速擴張，這對于探索人腦的發(fā)育，特別是區(qū)域特化研究提出了巨大的挑戰(zhàn)。

2023年12月12日，中國科學院動物研究所焦建偉研究組、廣州國家實驗室董驥研究組、北京大學杜鵬研究組和北京大學靳蕾研究組合作在Cell雜志在線發(fā)表了題為Spatiotemporal transcriptome atlas reveals the regional specification of the developing human brain的文章。該研究將單細胞測序（scRNA-seq）和單細胞空間轉錄組技術（scStereo-seq）相結合，首次解析了迄今為止跨時間點最廣（GW6-GW23）、面積最大(最大4cm x 3cm)的人腦多區(qū)域時空發(fā)育轉錄組圖譜。

該研究鑒定并呈現(xiàn)了發(fā)育早期具有特定空間分布特點的異質性放射狀膠質細胞亞型，揭示了這些異質性放射狀膠質細胞有助于隨后不同腦區(qū)神經元的特化，同時發(fā)現(xiàn)膠質細胞和神經元互作也會促進神經元的區(qū)域特化。利用10x Genomics單細胞測序技術scRNA-seq，作者繪制了來自人類胚胎不同腦區(qū)（包括Cor、Dien、Mid、Cere在內），多個發(fā)育時間點（GW6、GW8、GW10、GW12、GW14、GW16和GW23）的單細胞轉錄組圖譜 (共228,047個細胞)。根據經典的標記基因，作者鑒定出神經前體細胞（NPC）、谷氨酸能神經元、GABA能神經元、少突膠質細胞前體細胞、星形膠質細胞前體細胞神經外胚層來源的主要細胞類型，以及中胚層來源的細胞類型（如內皮細胞，周皮細胞和小膠質細胞）等。同時，作者使用時空組學技術Stereo-seq，對人腦多個發(fā)育時間點（GW6、GW8、GW10、GW12和GW16）進行空間轉錄組測序。通過可視化主要細胞類型的空間分布，本文揭示了發(fā)育中人腦不同腦區(qū)由不同細胞類型組成的有序分布模式 。
 

人腦時空發(fā)育圖譜分析概覽

為了理解人腦中NPC的分子異質性，研究人員用經典標記基因將NPC重新分為五個亞類，包括放射狀膠質細胞（RG）、Cor特異的中間祖細胞（IPC）、Cere特異的顆粒細胞前體（GCP）、前體1（Prec1）和前體2（Prec2）。在五個NPC亞型中，RG最先出現(xiàn)，且在該階段已表現(xiàn)出明顯的區(qū)域異質性，其中研究人員發(fā)現(xiàn)轉錄因子TFAP2C特異性在人大腦皮層RG中表達并能夠決定大腦RG細胞的命運。接著，研究人員將各腦區(qū)的RG細胞進一步分群并觀察空間分布特點。Cor RG分為oRG和vRG，空間可視化后發(fā)現(xiàn)oRG在額葉（FL）的比例明顯高于枕葉 (OL); 研究人員將Dien RG分為Dien RG-1和Dien RG-2，其中Dien RG-1高表達DLX1、DLX2，而Dien RG-2高表達TPBG，且發(fā)現(xiàn)Dien RG-1主要分布在Dien腹側，而Dien RG-2主要分布在Dien背側；對于Mid RG, 除了Mid RG-4已有研究報導，其他5個亞型均是本研究首次鑒定且均具有獨特的空間分布特點。Cere RG分為4個亞型：菱形唇 (RL)-RG、腦室區(qū) (VZ)-RG、伯明翰膠質細胞 (B glia)、以及腦干RG。其中VZ-RG（GABA能神經元的起源）在GW8和GW10時已經很明顯，而RL-RG（興奮性神經元的來源）在GW10時開始增加，表明小腦不同起源神經元的發(fā)育時間差異�？臻g可視化不僅展示了RG亞型的空間分布，而且為后期神經元區(qū)域特化提供了關鍵線索。

為了研究發(fā)育中人腦各區(qū)域神經元的時空動力學特征，根據差異表達基因，研究人員將62,520個谷氨酸能神經元和59,062個GABA能神經元分別進一步分為17個和20個亞群，并將其中主要亞群映射到空間中。這些神經元亞群表現(xiàn)出明顯的區(qū)域異質性和相似性（如發(fā)現(xiàn)Cor和Dien的GABA能神經元亞群是高度相似的）。同時，本研究還揭示了Dien谷氨酸能神經元和GABA能神經元亞型存在顯著的背腹側分布差異。另外，研究人員將Cor興奮性神經元進一步細分為遷移神經元、上層神經元以及深層神經元的多個亞型。通過可視化這些亞型，實現(xiàn)了在更廣的時間窗（GW8-GW16）內觀察它們的時空變化特點。這些研究結果揭示了發(fā)育中的人腦神經元亞型的時空動態(tài)變化和區(qū)域多樣性。

為了探索人腦不同區(qū)域特定神經元亞群的發(fā)育路徑，研究人員通過結合scRNA-seq和scStereo-seq數據，計算并重建了每個區(qū)域特定神經元亞群的時空發(fā)育軌跡。其中，有趣的是，作者發(fā)現(xiàn)Dien RG-1趨向于向LHX6+ GABA能神經元發(fā)育，而Dien RG-2趨向于向谷氨酸能神經元發(fā)展。同時，空間可視化結果顯示，Dien RG-1和LHX6+ GABA能神經元主要位于Dien腹側，而Dien RG-2和Dien谷氨酸能神經元主要亞群（Glu-3）均主要位于Dien背側，這進一步驗證了單細胞數據分析的結果。上述研究結果有助于更好地理解異質性RG細胞如何對神經元的區(qū)域特化做出貢獻。根據差異表達基因和經典標記基因，研究人員接著將GW6-GW23期間不同腦區(qū)的少突膠質細胞前體細胞（OPC）和星形膠質細胞前體細胞（APC）分別分為六種和五種亞型，通過比較分析發(fā)現(xiàn)它們的腦區(qū)分子異質性相對較小，但是，進一步觀察發(fā)現(xiàn)這些亞型存在顯著的空間分布偏好。例如，研究人員發(fā)現(xiàn)在GW16時，Dien腹側中OPC和APC亞型的比例都高于Dien背側。通過受配體分析發(fā)現(xiàn)，這些空間偏好性的分布有助于促進神經元區(qū)域特化。

綜上所述，此項研究通過結合單細胞轉錄組和空間轉錄組首次刻畫多時間點、超大面積的人腦多個區(qū)域時空發(fā)育轉錄組圖譜，為了解人腦發(fā)育、神經元的區(qū)域特化和相關疾病提供了寶貴的資源，這一突破為助力治療腦疾病提供了線索。同時，值得注意的是，這項研究標志著在激烈的國際競爭中，中國科學家在人腦空間組學研究領域擠進世界第一梯隊。

中國科學院動物研究所焦建偉研究員、廣州國家實驗室董驥研究員、北京大學杜鵬研究員和北京大學靳蕾副研究員為本文共同通訊作者。中國科學院動物研究所博士后李妍昕、博士后李忠秋、廣州國家實驗室助理研究員王長亮、北京大學生命科學學院畢業(yè)博士生楊敏為本文的共同第一作者。王雁玲研究團隊參與了項目協(xié)作。同時獲得了國家科技部、國家自然科學基金委、中國科學院先導等項目的資助。

研究方法亮點
這項工作刻畫了迄今為止跨時間點最廣、面積最大的人腦多區(qū)域時空發(fā)育轉錄組圖譜，研究用到了單細胞轉錄組和空間轉錄組等實驗技術。

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文章原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.11.016