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人腦單細胞基因表達圖譜訴說驚人發現

4月
21
2018

2018年4月21日03時 今日科學 基因谷

基因谷

首張人腦綜合基因表達圖譜,為解答特定細胞和基因網絡如何鑄造最複雜的人體器官提供了新的見解。

人類大腦被稱為世上最複雜的物質,裡面有860億錯綜複雜的、相互連接的神經元和數量同樣龐大的膠質細胞。

有史以來人們對這一神秘器官一直充滿好奇:它能生產浪漫的愛情詩歌,也能生產嚴謹的科學公式。由最初小小的胚胎和一點幹細胞出發,成熟的大腦從何而來?

根據今天發表的《Science》,加州大學舊金山研究所三名年輕學者Tomasz Nowakowski、Alex Pollen、Aparna Bhaduri和他們的博後導師腦發育研究專家Arnold Kriegstein等人,向前邁出了關鍵的一步。

他們繪製的人腦綜合基因表達圖譜,為解答特定細胞和基因網絡如何鑄造最複雜的人體器官提供了新的見解。

「用真實的人體組織研究大腦發育問題非常重要,我們今天發表的許多數據都是小鼠研究中無法察覺的信息,」UCSF再生醫學和幹細胞研究中心主任、神經學教授Kriegstein說。

2014年,Pollen和Nowakowski等人以及Fluidigm公司在《Nature

Biotechnology》上發表了用於分析人腦組織單個細胞中DNA活性獨立模式的關鍵技術:利用一個特殊的「微流體」設備,捕獲單個細胞,然後將其導入納升級別的小室中。這些小室可以精確地控制DNA測序所需的各步擴增反應,可同時用於96個細胞的獨立分析。這種捕獲和為信使RNA測序準備細胞的新系統,可產生更準確的序列數據。

利用這種技術,該團隊去年還發表了一篇《Cell Stem Cell》證明一類表達AXL的新型神經幹細胞是寨卡病毒能夠導致破壞性頭小畸型病例的重要線索。

之後,Pollen和Nowakowski開始與具有統計和生物信息學背景的Bhaduri合作,研究特定神經元和幹細胞的大腦發育,以及它們如何導致正常或病態大腦成長。為此他們構建了一個全面的、開源的、跨腦區的大腦基因表達地圖,希望為其他科學家們提供線索資源。

「鑑定與神經和精神類疾病風險有關的遺傳變異雖然很重要,但是即便了解哪些基因突變可能導致疾病也無法準確地得知究竟腦內哪種細胞類型發育出現了問題,」Pollen補充道。「作為一個橋樑,唯有一張整體的人腦細胞地圖可以幫助我們確認這些信息。」

研究人員分析了關鍵發育時間點上不同大腦區域的單細胞基因表達,隨後用統計算法聚類基因表達模式不同的細胞。

通過這一數據集,研究人員識別到了神經幹細胞之間前所未知的基因表達差異,這種差異導致了腦深層結構和皮層表面不同構造形成。讓人吃驚的是,不同神經細胞類型的分子指紋的生成時間遠遠早於腦發育,換句話說,在大腦發育的極早期,腦細胞就已經顯現出了分子差異,這刷新了人們對腦細胞分化和發育的一般認識。

最令團隊感到興奮的結果是,他們觀察到一種名為外-放射狀膠質細胞(outer-radial

glia,oRGs)的神經幹細胞與自閉症之間存在某種聯繫。在新研究中,他們發現在人腦發育的第二階段,oRGs細胞表達mTOP信號通路相關基因。此前有研究證明,mTOR信號通路缺陷與自閉症和其他幾種精神疾病關係密切。新發現證明,這類mTOR-表達oRGs細胞在神經和精神疾病起源中可能扮演重要角色。

另一個同樣激動人心的新發現是,大腦發育過程中瞬時基因表達事件在不同區域的腦皮層的神經元命運之間具有廣泛差異,這否定了一個已經存在很多年的觀點:大腦皮層是由幾乎相同的「皮層柱(cortical columns)」組成的。相反,新數據表明,在發育過程中,不同部位的神經元表達不同遺傳程序(即橫切面表達差異),但是處於不同皮質層的相鄰神經元的基因表達模式基本相似(即縱切面表達類似)。

與以往的腦細胞類型鑑定不同,這項研究在基因表達層面實現了一次大規模的細胞類型鑑定。Kriegstein課題組也在最近獲得了NIH BRAIN倡議(BRAIN Initiative)提供的500萬美元經費支持。為了更好地將該數據資源共享給全世界的科研工作者,他們正在與加州大學聖塔克魯茲分校合作構建一款交互式數據瀏覽器。

大腦的細胞多樣性明顯高於其他器官,究竟人腦有多少種細胞類型?相信不久之後,通過分析這些豐富的基因表達關係導圖,最終科學家們為這一曠日持久的問題交上令人滿意的答卷。


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