人类大脑由多种类型的神经细胞组成，这些细胞在形态、功能和位置上都有所不同。这些细胞类型的形成受到多种形态发生素的影响，例如 Sonic hedgehog (SHH)、Wnt和BMP等【1-2】。体外诱导多能干细胞 (hiPS) 分化为特定神经细胞类型是神经科学研究的重要工具，因为它们可以模拟体内环境，并允许研究人员控制形态发生素和其他信号通路的表达【3-5】。然而，目前缺乏一个系统的方法来理解形态发生素驱动的分化过程，限制了体外神经细胞多样性的生成。此外，体外神经细胞成熟仍然存在局限性，例如浦肯野细胞无法形成复杂的树突分支，这是浦肯野细胞成熟的标志。类器官技术为研究人类神经发育和疾病提供了一个强有力的平台，因为它可以模拟体内环境，并允许研究人员控制形态发生素和其他信号通路的表达。多组学技术则可以帮助研究人员深入了解形态发生素如何影响神经细胞多样性和成熟。近日，来自美国斯坦福大学精神病学和行为科学系的Sergiu P. Pașca研究团队在Cell Stem Cell杂志上发表题为Generating human neural diversity with a multiplexed morphogen screen in organoids的研究论文，该研究揭示了人类神经细胞命运决定的形态发生素原理，并利用移植技术克服了体外神经细胞成熟障碍。首先，研究揭示了形态发生素组合和时间对神经细胞类型生成的影响。研究人员通过分析单细胞RNA测序数据，发现14种形态发生素调节剂在不同条件下的组合和作用时间可以特异性地生成特定类型的神经细胞。例如，SAG与BMP7或BMP4的组合可以生成浦肯野细胞，而SAG与CHIR的组合可以生成前脑GABA能神经元和星形胶质细胞。此外，某些形态发生素组合可以增强特定脑区的生成，例如SAG与FGF4或FGF8的组合可以增加中脑细胞类型的比例，而BMP4与CHIR的组合可以生成脉络丛细胞。其次，研究人员进一步探究了形态发生素组合对神经细胞类型的影响。研究人员发现，不同的形态发生素组合可以产生相似的神经细胞类型，例如中间神经元、中脑、小脑、脉络丛等。他们还观察到形态发生素信号通路之间的协同作用，例如SAG与BMP4的组合可以产生下丘脑细胞类型。此外，某些形态发生素组合可以增强特定脑区的生成，例如中脑和脉络丛。接着，研究还发现了与神经精神疾病相关的基因在神经类器官中的表达和富集情况。研究人员发现，与神经发育障碍、自闭症和精神分裂症相关的基因在神经类器官中广泛表达，并在特定细胞类型中富集。例如，EBF3在浦肯野细胞、中脑GABA能神经元和Cajal-Retzius细胞中表达，而GATA3在中脑GABA能神经元和多巴胺能神经元中表达。这表明该平台可以用于研究基因与表型之间的关系，并可能有助于开发新的治疗方法。最后，研究重点关注了神经元成熟问题，并发现体外培养的神经元成熟存在局限性。研究人员发现，hiPS细胞来源的浦肯野细胞在体外培养过程中无法形成复杂的树突分支，这是浦肯野细胞成熟的标志。他们通过将类器官移植到新生大鼠的小脑皮质，发现移植后的浦肯野细胞可以发育出更复杂的树突分支，类似于晚期妊娠人类小脑的浦肯野细胞。这一发现表明，体内环境对于神经元成熟至关重要。图1 利用类器官和多组学技术构建人类神经系统形态发生素图谱总之，该研究提供了一个强大的平台，用于研究人类神经细胞的命运决定和成熟。该平台可以生成多种类型的神经细胞，并可以用于研究基因与表型之间的关系，以及开发新的治疗方法。
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1. Briscoe, J., and Small, S. (2015). Morphogen rules: design principles of gradient-mediated embryo patterning. Development 142, 3996–4009.
2. Dimos, J.T., Rodolfa, K.T., Niakan, K.K., Weisenthal, L.M., Mitsumoto, H., Chung, W., Croft, G.F., Saphier, G., Leibel, R., Goland, R., et al. (2008). Induced pluripotent stem cells generated from patients with ALS can be differentiated into motor neurons. Science 321, 1218–1221.
3. Driever, W., Thoma, G., and Nusslein-Volhard, C. (1989). Determination of spatial domains of zygotic gene expression in the Drosophila embryo by the affinity of binding sites for the bicoid morphogen. Nature 340,363–367.
4. Basson, M.A., Echevarria, D., Ahn, C.P., Sudarov, A., Joyner, A.L., Mason, I.J., Martinez, S., and Martin, G.R. (2008). Specific regions within the embryonic midbrain and cerebellum require different levels of FGF signaling during development. Development 135, 889–898.
5. Briscoe, J., and Small, S. (2015). Morphogen rules: design principles of gradient-mediated embryo patterning. Development 142, 3996–4009.
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