人类大脑成熟过程中基因表达动态的颞叶皮层细胞图谱

2025-01-27 Mon
人类大脑成熟中的基因表达动态研究：全新的时间性大脑细胞图谱学术背景人类大脑的发育和成熟是神经科学中的一个重要研究领域，但至今仍存在许多未解之谜。发育中的人类大脑在出生后经历了漫长而复杂的成熟过程，这一过程受到基因表达动态变化的引导。尽管先前基于体块组织(bulk tissue)进行的大规模转录组学研究揭示了基因表达的显著变化，尤其是在胎儿后期到婴儿早期的过渡阶段，以及童年和青春期大脑结构和功能的剧烈变化，但这些研究的局限性在于未能指明细胞类型特异性的基因表达动态。因此，每种不同细胞类型在童年至成年大脑成熟过程中究竟发生了怎样的基因表达变化仍是一个未解的科学问题。
此外，全球范围内目前建立的人类大脑细胞图谱以成人为主，缺乏对儿童阶段的涵盖。而非洲作为全球基因多样性最高的地区，其加速增长的儿童人口使得建立包含非洲裔儿童样本的参考大脑细胞图谱尤为重要。这不仅有助于研究全球人口中人类大脑发育的机制，也为理解诸如结核病性脑膜炎(tuberculous meningitis, TBM)和艾滋病等当地高发疾病对大脑发育的影响提供了参考框架。
研究来源该研究题为《A temporal cortex cell atlas highlights gene expression dynamics during human brain maturation》，由Christina Steyn及其所在的多家研究机构联合完成，包括University of Cape Town的多个部门、University of Oxford的MRC Weatherall Institute of Molecular Medicine及Stowers Institute for Medical Research等机构。文章发表于2024年12月的《Nature Genetics》期刊（volume 56, doi:10.1038/s41588-024-01990-6）。
研究流程及方法研究团队通过单核RNA测序技术(single-nucleus RNA sequencing, snRNA-seq)，对来自非洲裔儿童和成人的颞叶组织样本进行了高分辨率转录组分析，并构建了一个结合儿童和成人样本的大脑细胞图谱，尝试揭示儿童与成人大脑成熟过程中的基因表达差异。
a) 实验设计和流程研究的第一步是通过snRNA-seq对来自五位儿童和三位成人供体的颞叶组织样本进行测序。样本包括来自12名供体的23个数据集，共包含144,438个高质量细胞核。研究结合17个已发表的类似数据集进行数据整合，采用广泛用于生物学数据的UMAP（Uniform Manifold Approximation and Projection）方法，识别并注释75种细胞亚型。注释使用了Allen Brain Map的中颞回(middle temporal gyrus, MTG)细胞分类体系。
此后，为了精准定位这些细胞亚型，研究引入了空间转录组学(spatial transcriptomics)技术。通过Visium平台，来自两位供体（分别为15岁和31岁）的组织切片被测序并进行了细胞类型丰度估算。基于非负矩阵分解(nonnegative matrix factorization, NMF)，鉴定了15个细胞位置群落，并分析了这些群落在皮层层次中的分布。
研究还利用机器学习算法NS-Forest v.2.0定义了每个细胞亚型的最小基因标记集(minimal marker genes)，以探讨跨时代数据集中的标记基因是否能够普适化。
最后，通过differential gene expression (差异基因表达分析)和基因集富集分析(Gene Set Enrichment Analysis, GSEA)，研究团队揭示了儿童和成人样本中各种细胞类型的功能差异和基因通路动态。
b) 实验结果与分析1. 样本组织与细胞类型分布

数据分析表明，75种细胞亚型涵盖了大脑中的主要神经元、非神经元细胞类型以及各自的子类型。神经元因检测到的基因数和独特分子标识数(UMIs)较高而显著不同于非神经元细胞。在儿童和成人样本中，细胞类型的总体分布相似，标志着细胞组成在大脑成熟过程中变化有限。两组样本中，ligodendrocytes是最常见的非神经元细胞类型，而exc_l2-3_linc00507_frem3则是最常见的神经元亚型。
2. 细胞空间定位

空间转录组数据显示，成人和儿童样本显现出了非常相似的组织细胞架构。各神经元亚型的分布与大脑皮层分层特征高度吻合，例如，exc_l2_lamp5_ltk亚型主要分布于皮层第2层，而exc_l6_fezf2_scube1亚型延伸至白质。非神经元类型如两种星形胶质细胞(astrocytes)分别表现出不同的分布模式，与其功能特性一致。
3. 差异基因表达

21种细胞亚型中共检测到165个显著差异表达基因，儿童样本中123个基因上调，42个下调。lamc3和sox11等基因在多个兴奋性神经元亚型中表达上调，这些基因已被证明在大脑皮层层化和神经元发生中具有重要作用。此外，某些基因（如fnbp1l）在特定神经元亚型（如exc_l2-3_linc00507_frem3）中表达高，这表明其可能驱动儿童阶段特异的脑成熟进程。
4. 大脑功能通路分析

GSEA分析显示，在儿童样本中，与细胞呼吸、突触可塑性以及蛋白质翻译调控相关的通路显著富集，可能反映了儿童大脑更高的新陈代谢需求和神经回路塑造的需要。相反，突触生长促进和轴突包裹通路则显著耗减，这可能与突触修剪（synaptic pruning）过程有关。
5. 儿童阶段病理标志物研究

研究使用该图谱分析了儿童结核病性脑膜炎(tuberculous meningitis, TBM)的潜在生物标志物的细胞类型特异性表达，发现许多标志物基因在非神经元细胞类型（如星形胶质细胞）中表达显著更高，但某些神经元亚型也可能参与了疾病相关的神经毒性发生过程。
c) 研究结论本研究构建了一个囊括儿童和成人样本的颞叶细胞图谱，首次揭示了在大脑成熟过程中不同细胞亚型的基因表达动态特征。这一资源不仅为理解人类大脑发育机制作出了贡献，还能为研究病理状态下的基因表达提供重要参考。特别是，该研究通过引入非洲裔儿童样本，为全球人类细胞图谱(human cell atlas, HCA)提供了更广泛的种族和年龄背景。
d) 研究亮点数据创新性：首次涵盖非洲裔儿童样本。
技术先进性：结合单核测序和空间转录组学技术，实现高分辨率的细胞类型动态分析。
差异基因表达：详细展现了儿童至成人过渡阶段基因表达的精微变化。
应用潜力：拓展了数据在研究神经发育疾病机制上的应用。
e) 其他有价值信息研究丰富了全球性单细胞数据资源，为建立更具多样性的人类参考图谱提供了实践路径。同时，通过细胞水平的基因表达谱探索病理特征，为个性化精准医疗的发展铺平了道路。