脊椎發育研究新進展
《Cell Research》刊發論文
2024年1月5日，廣東省智能科學與技術研究院（簡稱：智能院）時穎超研究員（神經細胞圖譜與認知網絡研究組）和北京師范大學王曉群教授、吳倩教授在國際著名學術期刊《Cell Research》(細胞研究)上發表了題為“Decoding the spatiotemporal regulation of transcription factors during human spinal cord development”的論文，該研究建立了一種解碼轉錄因子(TF)表達的空間轉錄組方法(TF- seqFISH)，并綜合單細胞轉錄組測序及10x Visium空間轉錄組等技術手段，繪制了胚胎期人類脊髓發育的時空轉錄組圖譜，系統解析了人脊髓發育的時空特征和調控機制。
該研究建立了一種解碼轉錄因子表達的
空間轉錄組方法
脊髓作為中樞神經系統的重要組成部分，是連接大腦和周圍神經的重要橋梁。脊髓對于機體感知刺激及與環境互動至關重要。一方面它通過背角神經元接受來自皮膚、肌肉和內臟器官的感覺信息并傳遞給高級中樞；另一方面它通過腹角的運動神經元執行運動指令。脊髓復雜多樣的細胞構成是實現感覺及運動功能的基礎。脊椎動物脊髓的細胞命運決定受到嚴格的時空調控，以確保精確無誤地建立神經回路。探究脊髓發育的時空調控機制對于研究發育障礙疾病及為脊髓損傷提供治療思路有重要意義。雖然在小鼠及雞等模式動物中進行了大量的研究，人類脊髓發育的時空調控機制尚知之甚少。
轉錄因子對于調控脊髓發育至關重要。為了解析轉錄因子在人脊髓發育過程中的空間表達規律，經過多年攻關，團隊研發出了基于單分子成像的單細胞空間轉錄組技術TF-seqFISH（Transcription Factor sequential Fluorescence In Situ Hybridization），該技術可以檢測人1085個轉錄因子的mRNA在單個細胞中的亞細胞定位和表達量 （圖 1）。在此基礎上，應用TF-seqFISH結合基于10x Visium的空間轉錄組數據，以及涵蓋了人脊髓發育多個時期的單細胞轉錄組數據，提供了單個細胞和基因表達的空間位置信息，從而為探究人脊髓發育的時空調控機制提供了寶貴的數據基礎。
TF-seqFISH高質量檢測轉錄因子的空間定位及表達量
本研究發現發育期VZ區的人脊髓神經祖細胞并不是勻質的，而是呈現出了多樣的分子特征且沿背腹軸有序分布?；诮浀浠虻谋磉_模式以及發育軌跡分析的結果，作者在scRNA-seq數據中定義出了不同的神經祖細胞和神經元亞型，并確定了其譜系對應關系。TF-seqFISH提供了一個解析轉錄因子的空間表達模式的良好平臺。借助于TF- seqFISH和scRNA-seq數據的聯合分析，研究人員進一步闡明了不同的神經祖細胞亞型沿背腹軸的空間分布模式（dp1 dp2 dp3-6 p0/1 pMN p2/3）（圖 2）。另外，本研究也解析了在內外軸方向上進行的神經發生、分化、遷移及成熟等過程 。
發育期人脊髓神經祖細胞和關鍵轉錄因子在背腹軸的空間排布模式
脊髓背角負責處理感覺信息，其神經元空間排布呈現出分層模式。不同層的背角神經元處理不同的感覺信息。但是有關脊髓背角發育及神經元有序排布的機制尚缺乏研究。在本研究中，借助于10X Visium 空間轉錄組，研究人員發現在人脊髓背角中存在早期（早于GW8）和晚期（晚于GW8）兩波神經發生事件，并確定了GW8是關鍵的時間點。得益于空間信息的可獲取性，本研究還揭示了早期和晚期產生的神經元分別定位于脊髓背角的深層和淺層，這對于解析脊髓背角神經元分層排布模式的建立機制有重要意義 （圖3）。另外，通過聯合分析scRNA-seq和10x Visium空間轉錄組數據，本研究進一步確定了早期和晚期產生的神經元的細胞身份。特別值得一提的是，本研究基于TF-seq FISH 數據首次報道了在人脊髓背角中瞬時存在由興奮性和抑制性中間神經元所形成的三明治樣（Sandwich-like）的細胞排布模式。這種Sandwich-like結構存在于所有脊髓節段中且在小鼠脊髓中也可以檢測到，提示其可能在進化上是保守的。此外，本研究也解析了腹角運動神經元和脊髓星形膠質細胞多樣性形成的分子及時空調控程序，并發現調控星形膠質細胞空間定位的分子機制和神經元在很大程度是一致的。
人脊髓背角神經元發生及空間排布模式圖
另外，本研究在胚胎發育期的人脊髓中發現了一類與疾病相關小膠質細胞（Disease Associated Microglia, DAM）相類似的小膠質細胞（DAM-like microglia）。這類DAM-like小膠質細胞主要分布于人脊髓白質且其出現時間與人脊髓髓鞘發生時間相吻合，提示可能參與人脊髓髓鞘發生過程。scRNA-seq和ALS GWAS數據聯合分析發現DAM-like小膠質細胞富集表達ALS致病基因，提示其可以作為研究ALS致病機制的新靶點，為研究和治療ALS提供了新思路。
北京師范大學吳倩教授、王曉群教授和廣東省智能科學與技術研究院時穎超研究員為文章的通訊作者。廣東省智能科學與技術研究院時穎超研究員、中國科學院生物物理研究所博士研究生黃露葦、董豪和昌平國家實驗室楊萌博士為文章的并列第一作者。
該工作得到了國家自然科學基金委、廣東省高水平創新研究院項目、科技創新2030-“腦科學與類腦研究”重大項目、新基石科學等基金和項目的資助。
