跨物种小脑皮层单细胞空间转录组图谱发布
2024年9月27日, 中国科学家在国际学术期刊《Science》上发布了跨物种小脑皮层单细胞空间转录组图谱(Hao et al., Science 385,eado3927, 2024)。该研究成果由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、华大生命科学研究院、上海脑科学与类脑研究中心、荷兰鹿特丹伊拉斯姆斯大学等14家科研机构,82位科研人员组成的团队通过合作完成。
小脑在运动和认知功能中扮演着至关重要的角色,其皮层与新皮层的各种感觉运动和联合区域具有区域特异性的功能连接。然而,与大脑皮层相比,小脑皮层各区域具有相对统一的细胞结构和典型的局部回路,这使得细胞组织如何支撑小脑连接和功能的复杂性成为一个重要问题。
近年来,单细胞组学的发展推动了多个针对小脑细胞构成研究的开展,但此前对小脑皮层细胞的分子和功能多样性的研究主要基于小鼠小脑。灵长类动物小脑在进化过程中显著扩张,神经元数量增加,认知功能更为复杂,因此确定是否存在灵长类特异性细胞亚型及其独特的空间组织形式,对于研究灵长类特异性的小脑功能具有重要意义。然而,由于小脑除了颗粒细胞外(占小脑神经元数量的99%以上),大多数细胞类型难以富集,因此对整个灵长类小脑进行单细胞分辨率的全面空间基因表达谱分析一直具有挑战性。
科学家们采用了华大生命科学研究院发明的单细胞空间转录组技术Stereo-seq,对小鼠、狨猴和猕猴的小脑进行了分析。该方法能够以约500纳米的高空间分辨率和全小脑覆盖的超大可视面积来绘制小脑的空间基因表达谱。通过对这些物种小脑皮层的细胞类型进行分类,研究人员揭示了三个物种中保守的浦肯野细胞、颗粒细胞和分子层中间神经元等细胞类型。通过比较小鼠和灵长类动物中每个细胞类型的基因表达模式,发现大多数细胞类型在物种间是保守的,但每个细胞类型中的差异表达基因高度依赖于物种。通过绘制各个细胞类型的空间分布,研究人员发现了灵长类特异的高尔基神经元分布特征。
图1:小脑的跨物种多模态图谱
特别值得注意的是,研究人员在Stereo-seq数据中发现了灵长类特异性的浦肯野细胞亚型(GRID2-high Purkinje),并通过RNAscope实验和人类的单细胞转录组数据验证了这一发现。进一步的研究还揭示了GRID2高表达细胞在诱导长时程抑制(LTD)相关基因表达方面的显著差异,以及与其他谷氨酸受体亚基表达模式的差异。
图2:灵长类特异的浦肯野神经元亚型
通过收集和分析清醒小鼠、狨猴以及公开的猕猴的静息态fMRI数据,研究人员发现了小脑皮层内的功能连接梯度,即“小脑内功能梯度”。这些梯度展示了不同小脑区域之间连接性的三维空间模式。通过实现空间转录组的三维重建和梯度分析,研究人员近一步发现,在所有三个物种中,功能梯度1和转录组梯度1都显示出明显的前后差异,且猕猴和狨猴之间的空间模式相似性高于它们与小鼠之间的相似性。此外,通过跨物种预测模型的验证,发现了基因表达与小脑内功能连接之间的密切关系,并且确定了与功能梯度相关的基因。这些基因在不同物种中的表达模式和富集的细胞类型存在差异,进一步强调了物种间的分子和功能差异。
图3:灵长类特异的细胞类型和基因表达模式
这项研究构建了猕猴、狨猴和小鼠小脑皮层的时空单细胞图谱,描绘了灵长类特异性浦肯野神经元亚型、进化保守的神经元空间模式和基因表达的区域偏好,并建立了转录组的空间异质性与小脑内功能连接的紧密关系。这些数据为未来研究提供了全面的资源,揭示了小脑皮层在进化过程中的分子和细胞多样化,有助于深入理解小脑的进化和功能。为进一步探索小脑在神经系统中的作用以及相关疾病的机制提供了重要的理论基础和实验依据。
本研究得到了科技创新2030重大项目《脑科学与类脑研究》等的经费支持。相关数据已在深圳国家基因库公开提交,可在CBMSTA(https://db.cngb.org/stomics/cbmsta/)数据库交互查看并下载分析。
蒲慕明院士、骆清铭院士发起“全脑介观神经联接图谱”大科学计划以来,上海的科学家通过国内外团队的广泛合作,已经陆续发布了《小鼠前额叶单神经元投射图谱》(Nature Neuroscience, 2022),《单细胞分辨率的猕猴大脑皮层细胞空间分布图谱》(Cell, 2023),《小鼠海马脑区单神经元的全脑介观投射联接图谱》(Science, 2024)和《跨物种小脑皮层单细胞空间转录组图谱》(Science, 2024)等重要成果,引起国际同行的广泛关注,为后续正式发起大科学计划奠定了坚实的基础。