分子圖譜揭示腦細(xì)胞如何發(fā)育

隨著受精卵的分裂，最初未分化的細(xì)胞承擔(dān)特定的功能，隨著不同組織和器官的出現(xiàn)而變得更加明顯。了解數(shù)百種不同的細(xì)胞類(lèi)型是如何產(chǎn)生的已被證明是困難的，主要是因?yàn)榭茖W(xué)家們?nèi)狈﹄S著時(shí)間的推移捕捉細(xì)胞決策的技術(shù)。

最近的進(jìn)展使研究人員能夠測(cè)量單個(gè)細(xì)胞基因活動(dòng)的變化，因此幾個(gè)小組開(kāi)始詳細(xì)研究特定大腦區(qū)域中特化細(xì)胞類(lèi)型是如何形成的。然而，到目前為止，還沒(méi)有人追蹤整個(gè)發(fā)育中大腦的基因表達(dá)模式。

現(xiàn)在，EPFL 研究人員和他們?cè)谌鸬淇_林斯卡研究所的合作者第一次繪制了胚胎細(xì)胞在成熟大腦中遵循的遺傳和發(fā)育軌跡圖。研究主要作者、EPFL 神經(jīng)發(fā)育系統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人 Gioele La Manno 表示，該分子圖譜不僅可以幫助更好地了解健康和患病的大腦，還可以改進(jìn)神經(jīng)退行性疾病的細(xì)胞替代療法等治療方法。研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上。

為了隨著時(shí)間的推移監(jiān)測(cè)單個(gè)細(xì)胞的決策，La Manno 和他的同事每天分析小鼠胚胎從受精后第 7 天到出生的大腦樣本。結(jié)合強(qiáng)大的測(cè)序技術(shù)和數(shù)學(xué)方法，研究人員從所有大腦區(qū)域獲得了大約 290,000 個(gè)單個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)譜，以及近 800 個(gè)細(xì)胞“狀態(tài)”，其中包括不同細(xì)胞的發(fā)育程序，包括神經(jīng)元和神經(jīng)元支持細(xì)胞。

隨著神經(jīng)元祖細(xì)胞的成熟，它們停止增殖并分化成許多不同的神經(jīng)元。研究人員追蹤了這種多樣性的出現(xiàn)，并描述了不同大腦區(qū)域的原始神經(jīng)細(xì)胞(稱(chēng)為神經(jīng)母細(xì)胞)出現(xiàn)的時(shí)間。在小鼠中，第一批神經(jīng)母細(xì)胞出現(xiàn)得早，在胚胎發(fā)育的第 9 天之前——這大致對(duì)應(yīng)于人類(lèi)妊娠第一個(gè)三個(gè)月的開(kāi)始。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些先驅(qū)神經(jīng)元參與感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)功能。“首先要做的事情之一是設(shè)置運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)功能，因?yàn)槿绻悴患霸缭O(shè)置這些功能，以后建造通往外圍的‘高速公路’將變得更加困難，”拉曼諾說(shuō)。

研究人員還發(fā)現(xiàn)了特定類(lèi)型的神經(jīng)元祖細(xì)胞，稱(chēng)為組織者放射狀神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，其作用是通過(guò)產(chǎn)生分子信使來(lái)指導(dǎo)鄰近細(xì)胞的發(fā)育，幫助確定大腦中各種特化細(xì)胞類(lèi)型的位置。“如果大腦是一個(gè)管弦樂(lè)隊(duì)，組織者放射狀神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞將是指揮者，”拉曼諾說(shuō)。研究小組發(fā)現(xiàn)，這些放射狀神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的分子信使種類(lèi)比科學(xué)家們想象的要多。

該分析還使研究人員能夠識(shí)別不同大小的細(xì)胞群，某些細(xì)胞群的細(xì)胞數(shù)量是其他細(xì)胞群的 100 倍。最大的群體之一似乎是前腦中的興奮性神經(jīng)元，該區(qū)域包括大多數(shù)參與高階認(rèn)知的區(qū)域。確定的最小種群之一是一種稱(chēng)為室管膜細(xì)胞的神經(jīng)元支持細(xì)胞，它產(chǎn)生圍繞大腦和脊髓的液體。

拉曼諾希望這個(gè)大腦圖譜中包含的豐富信息可以幫助識(shí)別與神經(jīng)發(fā)育狀況相關(guān)的基因，并確定腦癌中惡性細(xì)胞的起源。他說(shuō)，該圖譜還可以作為評(píng)估實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中干細(xì)胞產(chǎn)生的腦組織的參考。為了幫助其他人研究具有醫(yī)學(xué)意義的細(xì)胞和組織，研究人員將該圖譜作為可瀏覽的網(wǎng)絡(luò)資源公開(kāi)提供。

標(biāo)簽： 腦細(xì)胞