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4166.com美学者通过腹中侧下丘脑单细胞测序揭示社

2019-11-03 10:35

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10月23日消息,近日,顶尖学术期刊《细胞》新近上线的一篇论文中,神经科学家带来了有关脑细胞性别差异的一项研究结果。据研究机构的新闻介绍,这是科学家“首次在哺乳动物的大脑中发现细胞类型有性别差异”。有趣的是,这些细胞所在区域是控制攻击行为和交配行为的脑区。

笔者所在的哈佛医学院张毅教授课题组在2017年也通过单细胞测序技术揭示了下丘脑细胞类型多样性,与另一个同期发表的工作相似的是,这些研究均使用了单细胞测序技术在整个下丘脑或下丘脑亚核团鉴定出了30-60个转录特异的细胞类型。然而,纯粹使用单细胞测序技术对某个全脑或某个脑区进行细胞类型多样性鉴定工作,已经非常难以在顶级期刊上发表。这篇David Anderson课题组发表的Cell文章集中在某个亚核团,并比较了两种不同的单细胞测序技术,分别鉴定出了近似数量和分类的细胞类型。而更为重要的意义在于,本文应是首次将转录组水平的细胞类型多样性和神经功能特征联系起来,不仅探讨了解剖学上的局限定位,也尝试联系了投射特异性及行为激活的相关性。笔者认为,尽管本文并未得到具有脑区特异性的新的逻辑规则,但也给后续其他核团的单细胞测序的功能验证工作提供了一种可借鉴思路,即如何在单细胞转录组中挖掘出具有重大意义的信息,仍然是我们每个单细胞组学研究者应该重点思考的问题。

“我们的研究结果表明,哺乳动物大脑在细胞组成和基因表达水平上存在雌雄差异。”Anderson教授说,“但这些差异很细微,在功能上是否有重要差异还有待解释。”

研究人员最后使用CCA分析,对SMART-seq和10X数据库进行了匹配,以验证在转录特异细胞类型、行为学激活和投射特异性这三者是否具有关联。研究人员观察到了SMART-seq和10X单细胞测序上具有非常好的匹配度 。但是令人惊讶的是,研究人员并未在转录特异细胞类型、行为学激活及投射偏好上发现清晰的一对一关联。唯一例外的是,上述提到的可被社交恐惧激活的Nup62cl细胞类群,具有显著的投射至lPAG偏好。

研究人员总共对8万多个VMHvl神经元进行了测序,同时还分析了基因表达模式与神经投射、行为激活之间的关系。他们发现,小鼠的这一小块脑区尽管只包含4000个神经元,但可以分出17个不同的细胞类型。

图5. 使用CCA分析揭示行为激活、投射偏好及转录特征之间的关联

此次研究由加州理工大学的神经生物学家David Anderson教授领衔,与其多位同事以及艾伦脑科学研究所展开合作。

图2. 使用seqFISH对VMHvl区转录特异细胞类型进行解剖学分析

在不同性别的小鼠大脑中,研究人员也发现VMHvl区的细胞类型有所差别。雄性小鼠中的细胞类型更为多样,而有一些类型只发现存在于雌性小鼠脑中。

最后想简单提到的是,笔者关注David Anderson课题组多年,曾多次在组会Journal Club上介绍该课题组的工作。Anderson组一直以来非常集中于研究下丘脑VMHvl核团表达雌激素受体1的神经元。笔者介绍过该组在2011年发表在Nature上一个非常杰出的工作。该工作使用catFISH和在体多通道记录技术,揭示VMHvl区具有重叠却显著不同的两类神经元分别编码交配行为与攻击行为,也被药理学及光遗传学手段得到充分必要性验证。随后,该课题组一直以来以该工作为基础,使用最前沿的技术挖掘出新信息,如2014年该课题组在Nature发表的论文使用了光遗传结合脑片双光子钙成像,2017年该课题组在Nature发表的论文使用了在体钙成像技术同样观测下丘脑VMHvl Esr1+的神经元的活动性。这些工作既系统连贯,又能结合最前沿的技术挖掘出新信息,因此,该课题组在本篇Cell中使用单细胞测序技术对VMHvl核团的细胞类型特异性进行深度挖局,也是这一系列原创性工作之后自然而然、水到渠成的。读者应从该该课题组一系列连贯、前沿的的原创工作中得到些许启发。

令人意外的是,这些基于基因表达的细胞类型并不完全与它们的神经投射、激活的行为有一一对应关系,但有少数几种类型只被特定的行为激活,比如只被交配行为激活,或是只被社交恐惧行为激活。

自单细胞组学技术兴起以来,越来越多的研究者使用该技术揭示不同组织的细胞类型异质性,尤其对于大脑这一高度复杂的器官而言,了解其细胞类型多样性对于理解神经正常功能及揭示神经功能障碍如何参与神经精神疾病具有重要意义。近年来,通过单细胞测序技术,研究人员已经揭示了小鼠大脑具有约600类转录组不同的细胞类型,而随之而来的重要科学问题是,转录组的异质性与神经元功能特征是否可以联系起来?

▲考察不同转录组类型的细胞与雌雄、雄雄间的行为激活的对应关系

为联系SMART-seq鉴定出的17中转录特异细胞类型与解剖学定位,研究人员进行了顺序荧光原位杂交,并应用58个探针标记不同的SMART-seq细胞类型,通过比较seqFISH和SMART-seq的聚类分析结果,发现VMHvl的SMART-seq发现的类群和seqFISH发现的类群具有高度相关性,因此,seqFISH可以对SMART-seq分析出的类群在解剖定位上进行验证。

关于脑细胞

本文在讨论部分也提及了近期哈佛大学庄小威课题组和CatherineDulac课题组合作发表的下丘脑视前区单细胞测序结合MERFISH的工作。该工作与本文得到了不同的结论,即该Science文章认为“下丘脑视前区存在遗传上编码的环路,能组成转录特征的神经元细胞类型以控制特定下丘脑功能”。这篇Cell文章中,研究人员认为得出显然不同结论的原因可能在于揭示VMHvl区转录特异细胞类型的方法略微不同。另外一个可能原因是,视前区的神经元类型大多为GABA能,因此可能与VMHvl这一以谷氨酸能神经元占主导地位的下丘脑核团有所不同。

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首先,研究人员使用SMART-seq对下丘脑VMH区的细胞类型进行了研究。该技术使用Nr5a1-Cre转基因小鼠对下丘脑VMH区大部分神经元进行特异性标记,随后使用FACS进行流式分选。该技术细胞采样率较低,每只小鼠略能采集到100个细胞,因此,研究人员最终从54只小鼠中得到4574个神经细胞,并分析得到46个转录特异的细胞类型。研究人员根据差异表达基因及对VMH区解剖结构,将这些细胞按照core/shell形态继续细分为VMH-out及VMH-in两大类,对其中VMH-in继续细分为VMHc/anterior VMH及VMHvl。该分析总共发现下丘脑VMHvl区具有17种转录特异的细胞类型。

▲小鼠大脑切面中,红色指示的就是下丘脑VMHvl

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