Nature||單細胞轉錄組測序和ATAC-Seq聯合解碼人類大腦海馬體體發育與形成機制

2021-01-21 烈冰生物

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海馬體位於大腦丘腦和內側顳葉之間，屬於邊緣系統的一部分，在信息編碼、短時記憶、長時記憶、空間導航等方面發揮著重要作用，而且海馬體和癲癇、智力障礙、阿爾茨海默病等多種病理的發病機制密切相關。但是目前對於人類海馬體的發育與分子特徵仍然缺乏清晰地認識。

今天小編為大家介紹一篇2020年1月15日中科院生物物理研究所研究員王曉群團隊聯合北京師範大學吳倩團隊發表在Nature上的一篇關於人類大腦海馬體發育的文章，深入探究並揭示了海馬體動態變化的發育過程以及記憶功能環路形成的分子機制。

題目：Decoding the development of the human hippocampus

DOI：10.1038/s41586-019-1917-5

組學技術：scRNA-Seq、ATAC-Seq

樣本信息：7個不同胚胎發育時期的海馬組織

實驗分組：發育不同時期的胚胎

GW16、GW18、GW20、GW22 (n=2)、GW25、GW27

單細胞捕獲平臺：10X Genomics 平臺

細胞數量：共30416個細胞

分析思路：

研究者通過對人腦不同發育時期的海馬體進行單細胞轉錄組和表觀遺傳組測序及系統分析，解析出人腦海馬體發育過程中的不同細胞類型及關鍵的分子特徵與調控網絡。

t-sne分析和細胞類型鑑定，詳細描繪了發育16-27周的胚胎海馬的細胞圖譜。差異基因篩選鑑定海馬組織的區域marker基因；

GO分析揭示了興奮神經元神經發生和成熟的關鍵階段；

細胞周期分析和擬時序分析，鑑定PAX6+和HOPX+祖細胞的遷移路徑和細胞譜系，突破性的發現這群祖細胞在神經發生和膠質發生中都起作用；

WGCNA和ATAC-Seq分析篩選得到海馬發育相關的轉錄調控網絡。

小編之前有詳細的整理過一系列的單細胞轉錄組測序數據分析內容哦~瀏覽相關分析內容的原理、工具、分析結果詳情請戳下方連結哦~烈冰生物不僅可以進行專業的單細胞轉錄組測序，而且2020年即將重磅上線單細胞ATAC-Seq分析，敬請期待！

接下來，小編將從以下4個方面為大家詳細介紹一下這篇文章中的主要研究成果。

研究者通過對GW16-27的胚胎海馬進行t-SNE分析分為47個細胞亞群，並細胞類型鑑定為祖細胞、興奮性神經元(EXN)、抑制性神經元(INN)等9類。通過對發育後期的海馬進行ATAC-Seq，結果發現海馬體發育的關鍵轉錄因子——PROX1的啟動子區域具有LEF1和TCF4的結合位點，揭示WNT信號通路對齒狀回(dentate gyrus，DG)的形成具有至關重要的作用。（圖1a-f）

海馬體和前額葉皮層區域（PFC）協同發育，共同調控空間記憶和情緒相關記憶中的信號通路。研究人員為了探究海馬體與PFC發育中的差異，對二者的細胞聚類比較分析，結果表明二者在所有細胞類型均有所差異，主要表現為：1.分子特徵表達差2.二者神經元的發育成熟軌跡有差異；3.少突膠質細胞發生階段。（圖1g-l）

研究者通過擬時序分析，分離出PAX6+和HOPX+祖細胞向神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞的發育路徑，進一步揭示海馬發育中的細胞譜系關係，突破性的發現PAX6+和HOPX+祖細胞不僅是神經源性祖細胞，而且在膠質細胞發生中也起作用。（圖2a-b）

通過對不同發育時期的胚胎海馬體進行免疫螢光染色，系統的闡述了海馬的動態發育過程及PAX6+和HOPX+祖細胞從不同方向和遷移軌跡進入海馬體，共同促進海馬體的神經元和膠質細胞的發生。（圖2c-i）

研究者對海馬神經元表徵差異表達基因並經原位雜交驗證了人類海馬體的區域marker基因：SEMA5A（DG區），PID1（CA1區），SULF2（CA3區），NRIP3（CA3區）。通過擬時序和成熟度分析，表明CA1神經元比CA3和DG神經元更成熟。GO分析揭示了興奮神經元神經發生、成熟的三個關鍵階段：GW16-18：神經發生；GW20-22：軸突發生；GW25-27：功能發育。（圖3a-g）

通過加權基因共表達網絡分析(WGCNA)，篩選得到與DG發育相關的基因模塊和轉錄調控網絡。通過對抑制性神經元的細胞譜系關係分析和擬時序分析，描繪了來源於MGE和CGE的海馬抑制性神經元的衍化過程。（圖3h-l）

海馬體是脊椎動物大腦中進化保守的器官，但是在長期進化中人類海馬體是否有所變化呢？研究者通過對人類和嚙齒類動物海馬發育不同階段的轉錄組數據進行相關性分析，發現胚胎期發育16-20周的海馬體和小鼠出生後0-5天的狀態相似，這表明與嚙齒類動物相比，人類海馬體更早地進入發育期，但其發育期要持續更長時間。研究者接著對人類與嚙齒類動物的差異基因分析，篩選得到人類海馬體特有的基因，如STX10, CHMP4A, BEX5,和NBPF1等，並通過原位雜交和ATAC-Seq確定了這些基因的mRNA定位和轉錄調控位點。（圖4a-c）

其中，NBPF基因家族是靈長類動物特有的，與大腦的進化和複雜性有關。因此，研究者通過給胚胎小鼠體外注射使其表達NBPF1基因。實驗觀察發現，隨著小鼠海馬體的發育，DG區域顯著膨大，顆粒細胞數量顯著增加。為進一步探究NBPF1如何調控海馬發育，研究者進行 ATAC-Seq分析，並對小鼠顆粒細胞進行單細胞定量RT-PCR，結果一致發現NBPF1通過LHX2調節海馬發育的分子機制。

綜上所述，本研究系統地分析了胚胎發育中海馬體的scRNA-seq和ATAC-seq數據，詳細的闡述了人類海馬在發育中的細胞多樣性、動態發育軌跡、轉錄調控網絡和信號轉導途徑。跨物種比較了人類與嚙齒類動物海馬體進化過程中的關鍵差異，全面揭示了海馬體發育的關鍵時間點以及關鍵基因，為相關疾病的治療奠定了堅實的基礎。

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1917-5

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