海馬體位于大腦丘腦和內(nèi)側(cè)顳葉之間，屬于邊緣系統(tǒng)的一部分，在信息編碼、短時(shí)記憶、長時(shí)記憶、空間導(dǎo)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(jī)制密切相關(guān)。但是目前對(duì)于人類海馬體的發(fā)育與分子特征仍然缺乏清晰地認(rèn)識(shí)。

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(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京師范大學(xué)吳倩團(tuán)隊(duì)聯(lián)合發(fā)表在Nature上的一篇關(guān)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(dòng)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(jī)制。

文章信息：

題目：Decoding the development of the human hippocampus

DOI：10.1038/s41586-019-1917-5

組學(xué)技術(shù)：scRNA-Seq、ATAC-Seq

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳組測序

樣本信息：7個(gè)不同胚胎發(fā)育時(shí)期的海馬組織

實(shí)驗(yàn)分組：發(fā)育不同時(shí)期的胚胎

GW16、GW18、GW20、GW22(n=2)、GW25、GW27

單細(xì)胞捕獲平臺(tái)：10X Genomics 平臺(tái)

細(xì)胞數(shù)量：共30416個(gè)細(xì)胞

分析思路：

 

研究者通過對(duì)人腦不同發(fā)育時(shí)期的海馬體進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)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(xì)胞類型及關(guān)鍵的分子特征與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。t-sne分析和細(xì)胞類型鑒定，詳細(xì)描繪了發(fā)育16-27周的胚胎海馬的細(xì)胞圖譜。分為祖細(xì)胞、興奮性神經(jīng)元(EXN)、抑制性神經(jīng)元(INN)、Cajal Retzius細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞(OPC)、少突膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)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(guān)鍵階段。細(xì)胞周期分析和擬時(shí)序分析，鑒定PAX6+和HOPX+海馬祖細(xì)胞的遷移路徑和細(xì)胞譜系，突破性的發(fā)現(xiàn)這群祖細(xì)胞在神經(jīng)發(fā)生和膠質(zhì)發(fā)生中都起作用。WGCNA和ATAC多組學(xué)聯(lián)合分析篩選得到海馬發(fā)育相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

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④ScRNA-Seq||單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)分析之?dāng)M時(shí)序分析

⑤單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)分析之SCENIC分析——尋找細(xì)胞群體中的驅(qū)動(dòng)基因

主要研究成果

接下來，小編將從以下4個(gè)方面為大家詳細(xì)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(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析

研究者通過對(duì)GW16-27的胚胎海馬進(jìn)行t-SNE分析分為47個(gè)細(xì)胞亞群，并細(xì)胞類型及鑒定為祖細(xì)胞、興奮性神經(jīng)元(EXN)、抑制性神經(jīng)元(INN)等9類。通過對(duì)發(fā)育后期的海馬進(jìn)行ATAC-Seq，結(jié)果發(fā)現(xiàn)海馬體發(fā)育的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子—— P ROX1的啟動(dòng)子區(qū)域具有LEF1和TCF4的結(jié)合位點(diǎn)，揭示WNT信號(hào)通路對(duì)齒狀回(dentate gyrus，DG)的形成具有至關(guān)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(diào)控空間記憶和情緒相關(guān)記憶中的信號(hào)通路。研究人員為了探究海馬體與PFC發(fā)育中的差異，對(duì)二者的細(xì)胞聚類比較分析，結(jié)果表明二者在所有細(xì)胞類型均有所差異，主要表現(xiàn)為：1.分子特征表達(dá)差2.二者神經(jīng)元的發(fā)育成熟軌跡有差異；3.少突膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生階段。（圖1g-l）

圖1 胚胎發(fā)育中海馬單細(xì)胞的分子多樣性

2.發(fā)育中的海馬體祖細(xì)胞

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

通過對(duì)不同發(fā)育時(shí)期的胚胎海馬體進(jìn)行免疫熒光染色，系統(tǒng)的闡述了海馬的動(dòng)態(tài)發(fā)育過程及PAX6+和HOPX+祖細(xì)胞從不同方向和遷移軌跡進(jìn)入海馬體，共同促進(jìn)海馬體的神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)生。（圖2c-i）

圖2 胚胎發(fā)育中海馬祖細(xì)胞的分子特征

3.發(fā)育中的海馬神經(jīng)元

研究者對(duì)海馬神經(jīng)元表征差異表達(dá)基因并經(jīng)原位雜交驗(yàn)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(shí)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(gè)關(guān)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(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析(WGCNA)，篩選得到與DG發(fā)育相關(guān)的基因模塊和轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。通過對(duì)抑制性神經(jīng)元的細(xì)胞譜系關(guān)系分析和擬時(shí)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(dòng)力學(xué)研究

4.發(fā)育中的海馬進(jìn)化特征

海馬體是脊椎動(dòng)物大腦中進(jìn)化保守的器官，但是在長期進(jìn)化中人類海馬體是否有所變化呢？研究者通過對(duì)人類和嚙齒類動(dòng)物海馬發(fā)育不同階段的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)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(dòng)物相比，人類海馬體更早地進(jìn)入發(fā)育期，但其發(fā)育期要持續(xù)更長時(shí)間。研究者接著對(duì)人類與嚙齒類動(dòng)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(zhuǎn)錄調(diào)控位點(diǎn)。（圖4a-c）

其中，NBPF基因家族是靈長類動(dòng)物特有的，與大腦的進(jìn)化和復(fù)雜性有關(guān)。因此，研究者通過給胚胎小鼠體外注射使其表達(dá)NBPF1基因。實(shí)驗(yàn)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(xì)胞數(shù)量顯著增加。為進(jìn)一步探究NBPF1如何調(diào)控海馬發(fā)育，研究者進(jìn)行 ATAC-Seq分析，并對(duì)小鼠顆粒細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞定量RT-PCR，結(jié)果一致發(fā)現(xiàn)NBPF1通過LHX2調(diào)節(jié)海馬發(fā)育的分子機(jī)制。

圖4 胚胎發(fā)育中海馬表達(dá)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(xì)的闡述了人類海馬在發(fā)育中的細(xì)胞多樣性、動(dòng)態(tài)發(fā)育軌跡、轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑?？缥锓N比較了人類與嚙齒類動(dòng)物海馬體進(jìn)化過程中的關(guān)鍵差異，全面揭示了海馬體發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)以及關(guān)鍵基因，為相關(guān)疾病的治療奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

 

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