清華新聞網(wǎng)12月26日電 哺乳動(dòng)物大腦皮層GABA能抑制性神經(jīng)元產(chǎn)生于腹側(cè)端腦的神經(jīng)祖細(xì)胞，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離切向遷移到達(dá)背側(cè)端腦，與皮層內(nèi)的神經(jīng)元形成連接，參與構(gòu)建神經(jīng)環(huán)路，調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動(dòng)。雖然大腦皮層抑制性神經(jīng)元的數(shù)量遠(yuǎn)少于興奮性神經(jīng)元，但其細(xì)胞類(lèi)型極為豐富繁多。根據(jù)抑制性神經(jīng)元形態(tài)、神經(jīng)電生理活動(dòng)、基因表達(dá)和環(huán)路連接等多個(gè)維度的特征，哺乳動(dòng)物大腦皮層抑制性神經(jīng)元至少有數(shù)十種細(xì)胞類(lèi)型。而抑制性神經(jīng)元的多樣性也是大腦能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜而精細(xì)功能的基礎(chǔ)。大腦皮層抑制性神經(jīng)元發(fā)育的異常往往會(huì)導(dǎo)致如癲癇、自閉癥、精神分裂、智力障礙等多種神經(jīng)精神疾病。因此，研究大腦皮層抑制性神經(jīng)元的發(fā)育過(guò)程具有極為重要的生理和病理意義，而抑制性神經(jīng)元多樣性的產(chǎn)生過(guò)程及其分子調(diào)控機(jī)制也是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)極為重要的科學(xué)問(wèn)題之一。
12月11日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院、生命科學(xué)聯(lián)合中心米達(dá)助理教授課題組與VIB腦與疾病中心林內(nèi)特·林母（Lynette Lim）研究員課題組和倫敦國(guó)王學(xué)院發(fā)育神經(jīng)生物學(xué)中心奧斯卡·馬丁（Oscar Marín）教授課題組合作在《神經(jīng)元》（Neuron）發(fā)表了題為“大腦皮層生長(zhǎng)抑素類(lèi)長(zhǎng)投射神經(jīng)元和中間神經(jīng)元表現(xiàn)不同的發(fā)育軌跡”（Cortical somatostatin long-range projection neurons and interneurons exhibit divergent developmental trajectories）的研究論文。研究揭示了大腦皮層生長(zhǎng)抑素類(lèi)抑制性神經(jīng)元多樣性的發(fā)育過(guò)程，闡明了抑制性長(zhǎng)投射神經(jīng)元和中間神經(jīng)元不同的發(fā)育軌跡，發(fā)現(xiàn)了調(diào)控抑制性長(zhǎng)投射神經(jīng)元特化成熟的分子程序。
生長(zhǎng)抑素類(lèi)（SST）抑制性神經(jīng)元作為大腦皮層抑制性神經(jīng)元的主要類(lèi)型之一，產(chǎn)生于腹側(cè)端腦中間神經(jīng)節(jié)隆起（MGE）。由MGE的神經(jīng)祖細(xì)胞分裂后產(chǎn)生的新生抑制性神經(jīng)元主要為小清蛋白類(lèi)（PV）神經(jīng)元和SST神經(jīng)元。SST神經(jīng)元絕大多數(shù)是形成局部投射的中間神經(jīng)元，極少數(shù)會(huì)建立長(zhǎng)程投射來(lái)調(diào)控其他腦區(qū)的神經(jīng)元活動(dòng)。
為了研究SST神經(jīng)元多樣性的發(fā)育機(jī)制，研究人員通過(guò)轉(zhuǎn)基因小鼠內(nèi)源熒光標(biāo)記SST神經(jīng)元，利用流式分選富集了胚胎發(fā)育第16.5天（E16.5）、出生后第1天（P1）和出生后第5天（P5）位于小鼠大腦皮層的SST神經(jīng)元，而后進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（圖1）。通過(guò)數(shù)據(jù)整合與分析，發(fā)育時(shí)期的SST神經(jīng)元可以聚類(lèi)為建立長(zhǎng)程投射的長(zhǎng)投射（LRP）神經(jīng)元類(lèi)型（包含4個(gè)轉(zhuǎn)錄組亞型），和建立局部投射的中間神經(jīng)元類(lèi)型。中間神經(jīng)元?jiǎng)t聚類(lèi)為Martinotti（MC）細(xì)胞類(lèi)型（包含3個(gè)轉(zhuǎn)錄組亞型）和non-Martinotti（nMC）細(xì)胞類(lèi)型（包含5個(gè)轉(zhuǎn)錄組亞型）。同時(shí)，研究人員結(jié)合公開(kāi)數(shù)據(jù)中P10小鼠大腦皮層SST神經(jīng)元的基因表達(dá)進(jìn)行分群和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)大腦皮層SST神經(jīng)元的多樣性在胚胎發(fā)育時(shí)期已經(jīng)出現(xiàn)并在出生后持續(xù)穩(wěn)定存在。
圖1.發(fā)育過(guò)程中大腦皮層SST神經(jīng)元的多樣性
隨后，研究人員根據(jù)SST神經(jīng)元發(fā)育軌跡的分析，指出早在胚胎發(fā)育時(shí)期，SST神經(jīng)元內(nèi)部已經(jīng)建立兩支截然不同的發(fā)育軌跡——其一為形成長(zhǎng)程投射的LRP神經(jīng)元，另一為形成局部投射的中間神經(jīng)元（圖2）。針對(duì)胚胎時(shí)期已獲得細(xì)胞命運(yùn)的LRP神經(jīng)元亞型進(jìn)行分析，研究人員發(fā)現(xiàn)特異性富集表達(dá)于LRP2亞型神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄因子Dach1以及富集表達(dá)于大部分LRP神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄因子Pou3f2。
圖2.SST抑制性神經(jīng)元不同的發(fā)育軌跡
研究人員利用SST-Cre轉(zhuǎn)基因工具鼠條件性敲除Dach1或Pou3f2基因。研究發(fā)現(xiàn)LRP神經(jīng)元缺失Dach1后，會(huì)導(dǎo)致其向?qū)?cè)紋狀體的長(zhǎng)程投射顯著性增加，但并未影響LRP神經(jīng)元本身的數(shù)量；然而LRP神經(jīng)元缺失Pou3f2后，并不影響其向?qū)?cè)的長(zhǎng)程投射，但LRP神經(jīng)元的數(shù)量在P5之后會(huì)顯著性地下降。這表明Dach1和Pou3f2分別對(duì)LRP神經(jīng)元建立正確投射和維持細(xì)胞存活起到了重要的作用（圖3）。
圖3. Dach1和Pou3f2對(duì)SST長(zhǎng)投射神經(jīng)元發(fā)育的作用
綜上所述，該研究工作結(jié)合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析、遺傳學(xué)、細(xì)胞譜系追蹤和病毒示蹤等技術(shù)手段，揭示了大腦皮層SST長(zhǎng)投射和SST中間神經(jīng)元不同的發(fā)育軌跡，以及驅(qū)動(dòng)其發(fā)育成熟的不同分子程序。該研究工作闡明細(xì)胞命運(yùn)決定的時(shí)間規(guī)律在不同類(lèi)型抑制性神經(jīng)元之間具有異質(zhì)性，為深入理解抑制性神經(jīng)元多樣性的發(fā)育機(jī)制提供了重要理論補(bǔ)充。
米達(dá)、林內(nèi)特·林母（Lynette Lim）、奧斯卡·馬?。∣scar Marín）為該論文的共同通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/IDG-麥戈文腦科學(xué)研究院/生命科學(xué)聯(lián)合中心2019級(jí)博士生龍真與2021級(jí)博士生燕逸銘為論文共同第一作者。
論文鏈接：
https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(23)00887-5
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：劉雨田
編輯：李華山
審核：郭玲
