Nat Neurosci︱袁文等揭示大脑新皮层神经元成熟的新调控机制

在哺乳动物中，大脑新皮层具有众多功能不一的神经元以及多种类型的胶质细胞。新皮层神经元在胚胎发育过程中诞生，而它们的发育成熟进程可以一直延续到出生后。神经元的成熟以及神经网络的整合形成，对于大脑行使正确的功能都是至关重要的。目前，人们对于新皮层神经元的发生机制有了一定的了解，但是由于技术手段等原因，对于新皮层神经元发育成熟的调控策略仍不清楚。特别是考虑到小鼠大脑与人类大脑的巨大差异，不同物种是否采取不同的调控机制控制皮层神经元的发育与成熟呢？

2022年8月1日，来自深圳湾实验室的袁文研究员与哈佛大学Paola Arlotta教授实验室在Nature Neuroscience上在线发表题为  Temporally divergent regulatory mechanisms govern neuronal diversification and maturation in the mouse and marmoset neocortex 的文章， 该研究首先在小鼠及绒猴中，大规模综合分析了不同类型细胞的单细胞转录组和表观基因组，重点涵盖了不同发育阶段的神经元，从新生神经元到完全发育成熟的神经元。确定了在不同物种间，相同的神经元发育成熟调控机制；即新生神经元更多依赖非细胞特异的启动子控制基因表达，但随着神经元的成熟，神经元启用更多细胞类型特异的增强子参与调控基因的表达并维持神经元的功能。该工作揭示的神经元成熟调控机制，可能反应了大脑新皮层进化过程中某种特殊的需求，这对我们理解人类大脑的进化有着重要的意义。

大脑新皮层具有多种重要的生物学功能，参与到人类学习、记忆、交流等多种高级认知行为中。大脑新皮层可以分为从外到内的六层，每一层中的神经元具有不同的转录组、投射到不同的脑区并且执行不同的功能。

神经元的成熟以及神经环路的形成，对于行使正确的大脑功能是非常重要的。那么神经元是如何成熟的，调控其成熟过程的机制是什么？本文研究人员首先构建了标记皮层第2-4层以及第6层的投射神经元的转基因小鼠。通过流式细胞分选，分别纯化出不同成熟状态的神经元，例如分别从胚胎期18.5天、出生后1天、出生后3天、出生后7天、出生后21天以及48天的小鼠纯化神经元。

研究人员应用少量上皮层以及下皮层神经元细胞分别构建了神经元成熟过程中的转录组图谱，染色质状态图谱以及DNA甲基化图谱。通过比对Allen Brain以及 FANTOM5数据库，研究人员首先发现不同发育时期的神经元所表达的基因，具有不同的组织特异性。其后经过系统全面的整合分析，研究人员发现随着神经元的成熟，表观遗传组的变化大于转录组，且这些变化更多是神经元特异的，与神经元的成熟状态无关。这些结果暗示了，染色质结构和DNA甲基化对于调控不同神经元各自特异的基因转录非常重要。通过进一步针对启动子和增强子染色质状态的分析，研究人员发现有很多增强子区域随着神经元的成熟，变得更加的开放；而相对应的，在神经元成熟过程中启动子染色质区域却没有太多的改变。结合该研究所产生的最新DNA甲基化数据，研究人员同时发现，DNA甲基化改变更多发生在增强子区域，而启动子区域的DNA甲基化状态却没有太多改变。综上所述，研究人员发现随着神经元的成熟，神经元采用不同的机制调控不同的基因表达，由早期的以启动子调控基因表达变为增加更多的增强子一起调控基因表达，达到增强特异性的目的；同时更多的采用组蛋白修饰调控启动子的染色质状态，而应用DNA甲基化修饰调控增强子的染色质状态。

研究人员在小鼠模型上发现全新的神经元调控机制之后，随之而来的另外重要问题就是，这种调控机制是小鼠特异的，还是在不同物种上进化上保守的调控机制？为了回答这个重要的问题，研究人员同时在小鼠和绒猴上，进行单细胞转录组和染色质组测序。

 

借由大量的单细胞测序数据，研究人员鉴定出大脑新皮层中的主要细胞类型，包括皮层中的各种投射神经元和抑制性神经元。通过细胞聚类分析、基因特征图谱分析以及转录调控元件特征分析，研究人员接下来验证其所发现的神经元成熟调控机制是否在所有的神经元中都是存在的。针对转录组以调控元件区域染色质结构进行分析，发现多种不同类型的神经元均采取类似的神经元成熟调控机制，而在胶质细胞中却没有发现类似的细胞成熟调控机制。同样，在绒猴中所得到数据，研究人员也做了同样的分析，最终发现该神经元特异的成熟调控机制在进化上是保守的，绒猴的神经元成熟也遵循着同样的调控规律。

综上所述， 本研究从多组学角度系统全面的描绘了大脑新皮层神经元成熟过程中的变化，为整个领域提供了详实的数据；然后以此数据库为出发点，发现了神经元特异的发育成熟调控机制；最后，通过单细胞RNA-seq以及单细胞ATAC-seq进一步验证该调控机制不仅适用于小鼠也适用于非人灵长类动物。该研究不仅为未来研究神经元成熟提供了详尽的数据，也为理解神经元成熟提供了全新的视角，将会进一步促进我们理解各种神经发育疾病的发病机制。

袁文研究员课题组位于深圳湾实验室， 未来将以表观遗传调控和衰老为出发点，研究神经发育疾病（ASD）和神经退行性疾病（AD）的发病机制。课题组计划应用人类类脑器官的培养结合生物芯片微流控技术；高通量单细胞组学；空间转录组学以及非人灵长类动物模型等多学科的综合手段，对神经发育疾病（ASD）和神经退行性疾病（AD）的发病机制进行系统性的解析，并开发新的疾病干预手段以及药物。

袁文研究员课题组长期招聘博后、研究助理、实习学生，

详情请见： 深圳湾实验室神经疾病研究所袁文课题组招聘公告

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41593-022-01123-4

制版人：十一

参考文献

1. Lodato, S. & Arlotta, P. Generating neuronal diversity in the mammalian cerebral cortex. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 31, 699–720 (2015).

2. Yao, Z. et al. A transcriptomic and epigenomic cell atlas of the mouse primary motor cortex. Nature 598, 103–110 (2021).

3. Wen Yuan. et al. Temporally divergent regulatory mechanisms govern neuronal diversification and maturation in the mouse and marmoset neocortex. Nature Neuroscience volume 25, pages1049–1058 (2022)

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