海馬體位于大腦丘腦和內側顳葉之間，屬于邊緣系統(tǒng)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(fā)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(fā)病機制密切相關。但是目前對于人類海馬體的發(fā)育與分子特征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(lián)合北京師范大學吳倩團隊聯(lián)合發(fā)表在Nature上的一篇關于人類大腦海馬體發(fā)育的文章，深入探究并揭示了海馬體動態(tài)變化的發(fā)育過程以及記憶功能環(huán)路形成的分子機制。

文章信息：

題目：Decoding the development of the human hippocampus

DOI：10.1038/s41586-019-1917-5

組學技術：scRNA-Seq、ATAC-Seq

單細胞轉錄組和表觀遺傳組測序

樣本信息：7個不同胚胎發(fā)育時期的海馬組織

實驗分組：發(fā)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(shù)量：共30416個細胞

分析思路：

 

研究者通過對人腦不同發(fā)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(tǒng)分析，解析出人腦海馬體發(fā)育過程中的不同細胞類型及關鍵的分子特征與調控網(wǎng)絡。t-sne分析和細胞類型鑒定，詳細描繪了發(fā)育16-27周的胚胎海馬的細胞圖譜。分為祖細胞、興奮性神經(jīng)元(EXN)、抑制性神經(jīng)元(INN)、Cajal Retzius細胞、星形膠質細胞、少突膠質細胞前體細胞(OPC)、少突膠質細胞、小膠質細胞和內皮細胞。通過差異基因篩選鑒定CA1、CA3和齒狀回神經(jīng)元的區(qū)域marker基因；GO分析揭示了興奮神經(jīng)元神經(jīng)發(fā)生和成熟的關鍵階段。細胞周期分析和擬時序分析，鑒定PAX6+和HOPX+海馬祖細胞的遷移路徑和細胞譜系，突破性的發(fā)現(xiàn)這群祖細胞在神經(jīng)發(fā)生和膠質發(fā)生中都起作用。WGCNA和ATAC多組學聯(lián)合分析篩選得到海馬發(fā)育相關的轉錄調控網(wǎng)絡。

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④ScRNA-Seq||單細胞轉錄組測序數(shù)據(jù)分析之擬時序分析

⑤單細胞轉錄組測序數(shù)據(jù)分析之SCENIC分析——尋找細胞群體中的驅動基因

主要研究成果

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。

1. 人腦海馬體的單細胞轉錄組分析

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，并細胞類型及鑒定為祖細胞、興奮性神經(jīng)元(EXN)、抑制性神經(jīng)元(INN)等9類。通過對發(fā)育后期的海馬進行ATAC-Seq，結果發(fā)現(xiàn)海馬體發(fā)育的關鍵轉錄因子—— P ROX1的啟動子區(qū)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(qū)域（PFC）協(xié)同發(fā)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(fā)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(xiàn)為：1.分子特征表達差2.二者神經(jīng)元的發(fā)育成熟軌跡有差異；3.少突膠質細胞發(fā)生階段。（圖1g-l）

圖1 胚胎發(fā)育中海馬單細胞的分子多樣性

2.發(fā)育中的海馬體祖細胞

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

通過對不同發(fā)育時期的胚胎海馬體進行免疫熒光染色，系統(tǒng)的闡述了海馬的動態(tài)發(fā)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(jīng)元和膠質細胞的發(fā)生。（圖2c-i）

圖2 胚胎發(fā)育中海馬祖細胞的分子特征

3.發(fā)育中的海馬神經(jīng)元

研究者對海馬神經(jīng)元表征差異表達基因并經(jīng)原位雜交驗證了人類海馬體的區(qū)域marker基因：SEMA5A（DG區(qū)），PID1（CA1區(qū)），SULF2（CA3區(qū)），NRIP3（CA3區(qū)）。通過擬時序和成熟度分析，表明CA1神經(jīng)元比CA3和DG神經(jīng)元更成熟。GO分析揭示了興奮神經(jīng)元神經(jīng)發(fā)生、成熟的三個關鍵階段：GW16-18：神經(jīng)發(fā)生；GW20-22：軸突發(fā)生，神經(jīng)元逐漸成熟；GW25-27 ：功能發(fā)育。（圖3a-g）

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

圖3 胚胎發(fā)育中海馬神經(jīng)發(fā)生的動力學研究

4.發(fā)育中的海馬進化特征

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(fā)育不同階段的轉錄組數(shù)據(jù)進行相關性分析，發(fā)現(xiàn)胚胎期發(fā)育16-20周的海馬體和小鼠出生后0-5天的狀態(tài)相似，這表明與嚙齒類動物相比，人類海馬體更早地進入發(fā)育期，但其發(fā)育期要持續(xù)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，并通過原位雜交和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，與大腦的進化和復雜性有關。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(fā)現(xiàn)，隨著小鼠海馬體的發(fā)育，DG區(qū)域顯著膨大，顆粒細胞數(shù)量顯著增加。為進一步探究NBPF1如何調控海馬發(fā)育，研究者進行 ATAC-Seq分析，并對小鼠顆粒細胞進行單細胞定量RT-PCR，結果一致發(fā)現(xiàn)NBPF1通過LHX2調節(jié)海馬發(fā)育的分子機制。

圖4 胚胎發(fā)育中海馬表達的特異性基因

 

綜上所述，本研究系統(tǒng)地分析了胚胎發(fā)育中海馬體的scRNA-seq和ATAC-seq數(shù)據(jù)，詳細的闡述了人類海馬在發(fā)育中的細胞多樣性、動態(tài)發(fā)育軌跡、轉錄調控網(wǎng)絡和信號轉導途徑?？缥锓N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(fā)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。

 

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