哺乳動物大腦發育過程極其復雜，包括形態發生、細胞間相互作用和內在的遺傳程序，最終形成不同的細胞類型。單細胞轉錄組和空間組學解析組織細胞異質性的能力，特別適合在大腦發育的整個過程中對細胞狀態進行系統地研究。來自瑞典的研究人員在Nature上發表題為“Molecular architecture of the developing mouse brain”的文章。該文章系統性地描繪了小鼠胚胎從原腸胚形成到分娩之間大腦發育的完整單細胞轉錄組圖譜，確定了近800種細胞類型，并且描述了這些細胞的發育過程。結合原位雜交技術繪制了關鍵發育基因的空間表達圖譜，揭示了神經系統發育過程中神經祖細胞的準確空間位置。  
研究材料

選擇了小鼠胚胎第7至第18天（E7-E18）不同部位，共93個樣本

技術路線

步驟1：取E7-E16的93個樣本進行單細胞檢測，并構建了細胞圖譜；

步驟2：對神經元類細胞進行亞群再分析；

步驟3：對非神經元類細胞進行亞群再分析;

步驟4：通過ISS檢測對單細胞數據進行空間定位驗證。

 研究結果
 

1. 通過單細胞轉錄組測序技術，構建小鼠大腦的細胞圖譜

通過單細胞轉錄組測序檢測，共獲得了292,495個細胞用于單細胞數據分析，通過對這些細胞進行細胞類型注釋，共鑒定到了798種細胞類型，作者根據腦細胞的主要類別（成纖維細胞、血管、免疫、放射狀膠質細胞、膠質母細胞、神經母細胞和神經元）、胚胎發育時間、細胞標志物和取樣的空間位置，對細胞類型進行了全面的注釋。tSNE圖顯示細胞主要按胎齡分布。在E7時，細胞分離成原腸胚形成過程中產生的三個胚層。神經嵴在E8-E10期間形成，并在E10-E16期間分化為形成腦膜的成纖維細胞譜系。早期的神經管在E8形成，然后分化成為放射狀膠質細胞。兩大類神經元從神經管分支出來，一類包含前腦興奮性神經元，另一類包含其他所有神經元類型。同時，作者發現大約在E14之后，放射狀膠質細胞逐漸失去增殖能力并轉變為膠質母細胞狀態，最終演化成為星形膠質細胞、室管膜細胞和少突膠質細胞前體 (OPC) 細胞。
 

圖1 發育中的小鼠大腦圖譜

2. 對神經元類細胞進行亞群再分析

隨后作者對E7-E8.5時期的細胞群進行了分群分析，這一時期主要是原腸胚晚期和神經形成早期的細胞。并根據細胞亞群聚類分析，將細胞群分為五個類群。包括原條階段細胞、非神經譜系限定細胞和早期神經上皮祖細胞。進一步對神經上皮細胞群分析，共鑒定出了十個亞群，并且發現在神經胚形成過程中,Secondary organizers的特殊神經前體細胞調控了大腦的形態發生。此外E9-E11放射狀膠質細胞群中的Secondary organizers亞型中差異表達大量轉錄因子、分泌配體和表面受體相關基因。這些organizers分泌的形態發生素可能在特定區域，誘導局部神經元的分化。
 

圖2.1 神經形成過程中的細胞類型異質性

圖2.2 神經管的分子多樣性

 

3.  對非神經元類細胞進行亞群再分析

接下來，作者對膠質細胞及相關祖細胞進行了亞群再聚類分析，主要包括表達神經源性標記物的細胞和表達神經膠質標記物的細胞。結果發現非端腦膠質母細胞和寡突細胞前體細胞，以及與端腦膠質母細胞的異質性。顯示了這一區域的特異性，同時進一步證明了E12到E16之間發生了神經元到膠質細胞的轉變。而最早的星形膠質細胞出現在大約E15時期。同時巨噬細胞和小膠質細胞從胚外卵黃囊發育，并在E9.5進入大腦，并且取代原本存在早期巨噬細胞。

圖3 非神經元類細胞發育特征

 

4. 通過ISS檢測對單細胞數據進行空間定位驗證

發育中的大腦不同空間域包含各種轉錄特征轉錄因子。隨著時間的推移，這些區域通過一些相互作用而逐漸分化。為了將這一復雜過程與轉錄細胞狀態聯系起來，作者對在E10.5小鼠胚胎的24個矢狀切面上對119個基因進行了原位雜交獲得空間表達信息，并將單細胞結果和空間結構進行對應，從而對不同的細胞類型確定準確的空間位置。

圖4 細胞類型和狀態的空間分布

 

 小編小結

本文通過單細胞轉錄組測序數據，對大腦發育不同階段的細胞類型進行了系統性的分析，并結合時間和空間信息分析了不同細胞的分化起源，展示了小鼠胚胎時期大腦轉錄組的多樣性，這是對哺乳動物神經系統發展進行研究的關鍵步驟。另外，該圖譜中所提供的發育時間、細胞譜系以及區域特異性的基因表達為遺傳靶點的研究提供了關鍵工具，也為理解神經發育相關的疾病例如腦癌提供了重要平臺。