Dev Cell|宿兵/李程团队发现人类大脑神经前体细胞发育的演化创新机制

学术   2024-11-22 00:01   上海  

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撰文︱宿兵/李程团队

责编︱王思珍


大脑皮质的特化是人类高级认知功能产生的结构基础。从啮齿类到非人灵长类再到人类将近一亿年的演化历程中,可以观察到明显的大脑皮质逐渐扩张的趋势。在演化发育生物学的视角下,物种之间的演化差异在器官发育过程中逐步展现。大脑皮质的扩张,更长的胚胎发育周期、更丰富的神经前体细胞组成以及特化的发育模式在大脑演化中发挥着主要作用。例如,相较于啮齿类,灵长类大脑皮质的神经发生区域特化出了显著扩张的OSVZ层(outer subventricular zone),其中包含丰富的具有干性的oRGouter radial glial)细胞,能够分化形成更多的大脑皮质上层神经元。因此,研究不同物种大脑皮质发育过程中细胞水平和分子水平的变化,以及这些变化背后的遗传调控机制,是理解人类大脑皮质演化创新的关键。


早期的研究主要通过比较人类和小鼠整体大脑皮质的组学差异来解析人类大脑皮质独特的分子特征。此类研究混杂了大脑皮质中所有细胞类型的信号,因此往往难以追溯人类独特的分子特征的来源。此外,由于人类和小鼠间过长的演化分歧时间,在人类大脑的起源、发育机制和脑疾病的研究中,小鼠相较于非人灵长类并不是理想的动物模型。随着类器官技术的发展,人类和非人灵长类的类脑器官也越来越多的用于跨物种比较以揭示人类大脑演化的遗传机制,但现有类器官技术还不能全面模拟大脑的发育,导致此类研究具有很大的局限性。


为了进一步揭示人类大脑在细胞和分子水平的演化创新以及背后的遗传调控机制,近期,中国科学院昆明动物研究所宿兵团队与北京大学李程团队合作在Developmental Cell上发表了文章Comparative single-cell multiome identifies evolutionary changes in neural progenitor cells during primate brain development”研究人员产生了猕猴和小鼠胎脑大脑皮质神经发生高峰期的前额叶单细胞多组学数据,并结合人类对应发育时期的大脑皮质单细胞转录组和单细胞染色质开放性数据进行了跨物种整合分析,从而探索大脑皮质演化过程中的细胞类型组成和基因表达改变及其潜在的遗传驱动。


对人、猕猴和小鼠的单细胞转录组模态数据以及单细胞染色质开放性模态数据进行多层次整合分析发现,尽管大脑皮质的细胞类型组成在物种间总体上是保守的,灵长类胚胎发育中期拥有更丰富的神经胶质前体细胞,可进一步分化为少突胶质细胞(Oligodendrocyte)和星形胶质细胞(Astrocyte)。而在小鼠中,这些细胞类型在接近出生时(E18时期)才会出现,说明灵长类的胶质细胞发生比啮齿类更早,这种进化差异可能影响大脑发育的模式和进程。


1.猴和小鼠胎儿PFC在皮质发生过程中转录组和染色质可及性的细胞图谱。

在基因表达水平,研究人员利用基因的转录本丰度和启动子附近的染色质开放性信号共同鉴定了神经前体细胞(RG细胞)的标志基因,并对比了这些基因在不同物种中的表达情况。他们发现,RG细胞的标志基因既有物种间保守的,也存在物种间差异的,且物种间差异的RG细胞标志基因占比更大,说明在大脑演化过程中RG细胞的转录调控发生了明显变化。其中,物种间保守的标志基因作为神经前体细胞执行功能的核心基因集,富集与Wnt信号通路以及干细胞增殖相关的基因,例如PTNVIMNOTCH2以及YAP1。与生长因子结合相关的基因被观察到在灵长类共享(小鼠中没有)的标志基因中富集,例如具有促进神经干祖细胞增殖和自我更新的功能的白血病抑制因子受体基因LIFR


2. 祖细胞在细胞特性上的进化分化。

他们进一步发现,人类神经前体细胞在细胞外基质(ECM)相关的通路中存在广泛的转录调控改变。例如,人类神经前体细胞中特异性高表达ITGA2基因,该基因所编码的蛋白是介导细胞和ECM之间连接的跨膜蛋白,并向细胞内传导ECM的化学成分和机械应力信号。为了验证这一发现,研究人员利用子宫内电穿孔技术将人类ITGA2基因在小鼠胎脑中过表达,发现小鼠神经前体细胞的增殖能力得到显著增强,并伴随着后续分化形成的大脑皮质上层神经元比例的增加。这一结果说明,人类大脑特异的ECM相关基因转录调控对神经前体细胞的增殖具有重要作用。此外,研究人员还观察到以ITGA2为代表的部分ECM相关基因在人类大脑类器官中的表达同样也存在缺陷,因此推测调整ECM的组成以及ECM相关基因的表达可能是优化类脑器官培养的一个重要方向。


3ECM通路的人类特异性变化影响神经祖细胞的增殖。

为了进一步探究人类神经前体细胞基因表达特化背后的调控机制和遗传驱动,研究人员开发了一套用于单细胞跨物种比较染色质开放性的计算框架。其中物种间保守的染色质开放区域(CAR)相较于人类特异性获得的染色质开放区域(HGAR)和灵长类特异性获得的染色质开放区域(PGAR),有更高的比例(67%)位于启动子附近,推测人类特异的顺式调控元件改变可能主要以启动子远端调控元件的方式发挥作用。接下来,研究人员将人类特异的基因组改变与HGAR进行了关联,发现HGAR中富集了人类加速进化区域(HAR)和人类中固定的单核苷酸改变(SNC)。结合单细胞转录组数据和单细胞染色质开放性数据进行基因表达调控推断,研究人员鉴定出了一组由于人类特异的基因组序列该表导致表达调控改变的基因,其中包括已知的受到HAR调控的FZD8基因,以及新发现的可能由HAR以增强子的形式促进人类神经前体细胞特异性高表达的ANXA2基因。


4.人类皮层中细胞类型的调控

最后,研究人员将人类精神疾病的风险位点和HGAR进行了关联分析,发现包括智力(IQ)、精神分裂症(SCZ)以及双相情感障碍(BIP)在内的风险位点在人类大脑皮质发育高峰期的至少一种细胞类型的HGAR中存在显著富集。该结果提示一些幼年或者成年发病的人类精神疾病的致病机制可能要追溯到大脑神经发生阶段,也显示这些疾病具有人类特异的遗传基础,为未来的疾病治疗提供了新思路。


文章结论与讨论,启发与展望

综上,该研究不仅揭示了人类大脑皮质发育中的演化创新和遗传基础,而且为理解人类大脑的独特发育模式和精神疾病风险提供了新的视角。


原文链接:DOI: 10.1016/j.devcel.2024.10.005

北京大学博士研究生刘玉婷(昆明动物所客座学生,现为美国耶鲁大学博士后)、孙逸鸣,中国科学院昆明动物研究所博士研究生陈凯敏胡庭为文章共同第一作者。中国科学院昆明动物研究所宿兵研究员、罗鑫研究员和北京大学李程研究员为论文的共同通讯作者。


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编辑︱王思珍
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