单细胞测序探索小鼠胚胎时期脑组织的发育

标题：Molecular architecture of the developing mouse brain

期刊：NATURE

影响因子：49.962

哺乳动物大脑是在多种复杂因素相互作用下发展起来的，包括形态发生、细胞间相互作用和内在的遗传程序，最终形成一千多种不同的细胞类型。单细胞转录组和空间转录组揭示复杂组织分子异质性的能力，特别适合在大脑发育的整个时空范围内对细胞状态进行系统地研究。本文提供了小鼠胚胎从原肠胚形成到分娩之间大脑发育的完整单细胞转录组图谱。确定了近800种细胞类型，这些细胞类型描述了大脑及其封闭膜的功能元件的发育过程。并且结合原位杂交技术绘制了关键发育基因的空间表达图谱，揭示了神经系统发育过程中神经祖细胞的准确空间位置。

材料方法

选择了小鼠胚胎第7至第18天（E7-E18）不同部位，共93个样品进行单细胞测序，经过分析保留了292,495个细胞。每个细胞平均检测到 5,766 个UMI和 1,934 个基因。

研究结果

经过分析，共得到了798个细胞类，作者根据脑细胞的主要类别（例如，成纤维细胞、血管、免疫、放射状胶质细胞、胶质母细胞、神经母细胞和神经元）、子类、细胞标志物和取样的空间位置，对细胞类型进行了注释。tSNE图显示细胞主要按胎龄分布。在E7时，细胞分离成原肠胚形成过程中产生的三个胚层。神经嵴在E8-E10期间形成，并在E10-E16期间分化为形成脑膜的成纤维细胞谱系。早期的神经管在E8形成，然后成熟为放射状胶质细胞。两大类神经元从神经管分支出来，一类包含前脑兴奋性神经元，另一类包含所有其他神经元类型。大约在E14之后，放射状胶质细胞逐渐失去增殖能力并转变为胶质母细胞状态，最终产生星形胶质细胞、室管膜和少突胶质细胞前体 (OPC) 细胞。

随后作者从数据集中提取了E7-E8.5细胞，分析了原肠胚晚期和神经形成早期的细胞，并根据聚类信息将种群分为五个部分。包括原条阶段细胞、非神经谱系限定细胞和早期神经上皮祖细胞。

对神经上皮细胞群进一步区分出了十个亚群，发现在神经胚形成过程中，次级组织者Secondary organizers的特殊神经前体细胞协调了大脑的形态发生。E9-E11放射状胶质细胞群中的次级组织者亚型中差异表达大量转录因子、分泌配体和表面受体。这些组织者分泌的形态发生素可能在特定区域，诱导局部神经元的分化。

作者从细胞聚类结果鉴定了胶质细胞及相关祖细胞，主要包括表达神经源性标记物的细胞和表达神经胶质标记物的细胞。两者间有超过7000个基因差异表达，成胶质细胞优先表达星形胶质细胞和少突胶质细胞相关基因。E12和E16之间发生了神经元到胶质细胞的转变。最早的星形胶质细胞出现在大约E15。

发育中的大脑包含表达特征转录因子的不同空间域。随着时间的推移，这些域通过一些相互作用而逐渐分化。为了将这一复杂过程与转录细胞状态联系起来，作者对在E10.5小鼠胚胎的24个矢状切面上对119个基因进行了原位杂交获得空间表达信息，并将单细胞群和空间结构进行对应，进一步对不同的细胞类型确定准确的空间位置。

总 结

本文对大脑发育不同阶段的细胞类型进行了鉴定，并结合时间和空间信息分析了不同细胞的分化起源。结合单细胞转录组和空间转录组所提供的时间、谱系和空间特异性的基因表达信息为复杂组织的研究提供了强大的工具。