Nature | 果蠅視神經葉神經元多樣性的發育圖譜繪製

撰文 | Qi

責編 | 兮

解密神經元多樣性的建立和維持需要在整個發育過程中對神經元基因表達具備詳細了解。與哺乳動物的大腦相反，果蠅視神經葉（optic lobe）及其連接體的神經元多樣性幾乎完全被表徵。視神經葉佔果蠅腦的三分之二，每個神經葉包含約60000個神經元，以及約200種形態獨特的神經元類型【1-3】。感光器檢測到的視覺信息被整合到視神經的四個神經纖維網中，包括視神經節層（lamina），髓層（medulla），視小葉（lobula）和視小葉板（lobula plate）。大多數視神經元是在幼蟲晚期和蛹早期發育連續不斷地產生的，在出生後神經元會立即發生投射以構建所有神經柱和原生層，並於蛹期30%（pupal, P30）完成，在P45左右開始形成突觸，持續至羽化完成【4-6】。

這些過程是遺傳上固定的且似乎是由神經元身份的初始規範嚴格確定的，因為特定細胞類型的形態及其突觸伴侶的身份在很大程度上都是不變的，但是截至目前，仍不清楚神經元如何在整個發育過程中建立並保持形態和功能多樣性，以及如何實現大腦連接。因此，表徵由神經元在其發育的不同階段實施的共享的和特定於細胞類型的遺傳程序至關重要。

2020年11月4日，來自美國紐約大學的Nikolaos Konstantinides團隊和Claude Desplan團隊在Nature 雜誌上合作發表了一篇題為「Neuronal diversity and convergence in a visual system developmental atlas」 的文章，在這項研究中，作者通過獲取果蠅成年期和五個蛹期的共275000個單細胞的轉錄組，並建立了機器學習框架，幾乎完全闡明果蠅視神經葉的神經元多樣性，這一研究成果可以成為理解物種間大腦發育的範例。

先前的研究通過對分離的細胞類型生成的果蠅成年視神經葉單細胞轉錄組圖譜未能完全說明其細胞多樣性。為此，作者首先獲取了成年果蠅109743個單細胞轉錄組並進行聚類分析，並由此擴展到發育中的神經元，對涵蓋神經元分化所有階段的五個蛹期共150000個單細胞進行測序。由於發育中的神經元通常缺乏標記基因或可用的大量轉錄組，因此作者採用一種有監督的方法來注釋這些數據集，在每個階段使用多任務神經網絡分類器將發育中的細胞與成年簇順序匹配。通過這種迭代的「分類-調整-重新訓練」的方法，成功完成蛹期和成年細胞間的對應關係（具體分析流程見下圖1）。截至目前，以上數據集可能共同代表了複雜的中樞神經結構在整個發育過程中的第一個單細胞圖譜。

圖1，整個發育過程中視神經葉的高解析度轉錄組圖譜

在這期間，作者在蛹期數據集中發現兩個大型神經元簇，在P70階段強表達促凋亡基因sickle，提示這些細胞在蛹後期階段死亡，也剛好印證了其不存在於成年數據集中。相反，如果表達抗凋亡蛋白p35則會使這類神經元持續存在於成年大腦中，因此，作者將這些細胞命名為瞬態外在神經元（transient extrinsic, TE）。

對兩個TE簇之間差異表達基因的分析顯示，其中一個簇表達Wnt4，且僅在TE神經元的腹側簇中表達因而命名為TEv；而另一個表達Wnt10的簇命名為TEd。此外，作者在P15和P30階段發現第三個TE簇，將其命名為TEe（e代表early，即早期）。TE神經元的瞬時性質，其表面神經支配及其在分泌標記物中的富集可以聯繫哺乳動物Cajal–Retzius細胞，這對於神經元遷移和其他發育過程至關重要，未來需要進一步的研究以確認TE細胞在果蠅腦發育中是否具有類似功能。

為了解釋為什麼在發育過程中更容易區分神經元類型，接下來，作者在每個階段對神經元簇標記物進行了GO分析。作者發現在所有階段，與軸突和樹突發育及突觸形成相關的受體結合和活性呈壓倒性的富集趨勢，其次是轉錄因子和離子通道相關。涉及突觸發生和膜電位的細胞表面分子在P50-P70附近位置顯著上調，這也解釋了這些階段神經元多樣性的增加。相比之下，較早蛹期的標誌物以蛋白質合成為主，而成年標誌物則以能量代謝為主。這些數據提示，P50附近具有突觸特異性相關細胞表明分子的上調會引起轉錄多樣性達到峰值。然而，這種多樣性不會繼續維持，尤其是在執行高度相關功能的亞型之間。

果蠅的背側（朝向天空）及腹側（朝向地面）會受到不同的刺激，因此可能需要以不同的方式進行處理。先前已有研究表明蝴蝶，蜻蜓等的視網膜中存在背腹側的不對稱性，這可能是對飛行的基本適應。作者對兩個Tm9亞組在P50差異基因表達的分析表明，類似於在上述TEv和TEd神經元中觀察到的，兩個分別表達Wnt4和Wnt10，且Wnt4-Gal4表達僅與腹側Tm9s重疊。

此外，Wnt4-Gal4表達僅限於蛹階段的腹側光感受器R7和R8，因此在發育過程中，感受視野及其下遊環路由差異Wnt信號劃分。此外，作者還發現了另外兩個具有背腹不對稱性的神經元：Tm4和未知簇62，也可以劃分為Wnt4+和Wnt10+群，且只有腹側Tm4神經元與Wnt4-Gal4表達重疊。值得注意的是，Tm4d和Tm9d在成年果蠅中都特異表達了編碼5-羥色胺受體的5-HT1A，同樣增加了果蠅腹側和背側視覺環路中神經調節信號處理方式不同的可能性。

圖2，背側和腹側視覺環路通過差異的Wnt信號進行分隔

總的來說，這項分析揭示了兩個蛹期特異性神經元簇，與哺乳動物的Cajal-Retzius細胞具有許多相似特徵，可能參與了神經纖維網的發育進程。值得注意的是，作者提出發育階段神經元多樣性的增加是由於突觸形成中涉及的細胞類型特定細胞表面分子的瞬時上調所致，這也解釋了成年大腦中轉錄組看似無差別的神經元如何由於其發育歷史的不同而發揮不同的功能。最後，作者將此研究與先前飛行無脊椎動物視網膜中不對稱性的研究相聯繫，證明腹側和背側視覺環路受到差異Wnt信號調控，為來自「地面」和「天空」信息輸入的差分處理提供了潛在的機制。

原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2879-3

製版人：schweine

參考文獻

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