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斑马鱼全脑转录图谱揭示神经元表型分子调控规则

作者:来源:发布时间:2021-12-15

  20211213日,《eLife》期刊在线发表为《The landscape of regulatory genes in brain-wide neuronal phenotypes of a vertebrate brain》的研究论文,该研究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)、神经科学国家重点实验室、上海脑科学与类脑研究中心何杰研究组、严军研究组和杜久林研究组共同完成。 

  大脑神经元高度多样。这种多样的神经元提供了大脑功能的结构基础。因此,绘制全脑神经元类型的分子图谱,进而解析其编码机制,对于认识大脑结构功能及其发育进化具有基础性意义,是当前脑科学的核心命题之一。 

  在该研究中,中科院脑智卓越中心研究人员完成了对幼年斑马鱼全脑、脑区特异性、特定神经调质/神经递质神经元约十万细胞数量级的单细胞测序,绘制了幼年斑马鱼主要神经元类型的转录组图谱(图1A-B)。 

  神经元之间的通讯主要通过神经递质和神经调质。神经递质介导动作电位的产生,神经调质通过调质突触前末梢释放递质的量及活动水平,以增强或减弱递质传递信息的效应。斑马鱼全脑细胞中,神经递质神经元和神经调质神经元的比例约为201。研究人员分别提取这两类神经元,基于层级聚类和群体统计分析,利用效应基因表达水平定义了相似神经元对 (similar neuron cluster pairs,图1C)。由于转录因子对效应基因的表达具有决定性作用,研究人员发现,神经递质类相似神经元对具有不同转录因子表达模式,呈现“会聚型”模式 (“Convergent” pattern);而神经调质类相似神经元对具有一致转录因子表达模式,呈现“一致型”模式 (“Matched” pattern, 1D-E)。 

  更有趣的是,研究人员发现有一些转录因子非常相似的细胞群,效应基因的表达差别却很大,甚至表现出完全不同的神经递质类型,呈现“发散型”调控模式 (Divergentpattern,图1E)。深入分析发现,这些不相似的神经递质类细胞群还表达不同的RNA结合蛋白 (RNA binding proteins, RBPs)编码基因,暗示神经元类型决定的转录后调控编码(图1E)。 

 

  1幼年斑马鱼全脑单细胞转录组图谱。(A)斑马鱼全脑单细胞测序实验示意图。(BtSNE图表征全脑45746个细胞可以分为68个细胞群。不同来源的细胞用不同颜色表征。(C)定义斑马鱼全脑相似神经元对的策略。位于层级分析邻近细胞群,且在群体距离分布中呈现最小距离的两个细胞群称之为“相似神经元对”。(D)条形图表征不同神经元类型使用的调控策略有所不同。神经调质神经元主要采用“一致型”调控模式;而神经递质神经元主要采用“会聚型”调控模式。(E)调控基因调节神经元属性的策略:一致型,会聚型,发散型。其中,一致型和会聚型表征转录因子在定义神经元属性时的策略;发散型表征RNA结合蛋白(RBPs)等转录后调控因子在调节神经元多样性中的策略。  

  该工作利用全脑单细胞测序分析,在全脑尺度上描绘了神经递质、神经调质神经元的多样性;此外,也揭示了转录因子及转录后调控因子在编码不同神经元类型的分子调控规则,为研究神经元多样性产生和进化演变提供理论基础。 

  中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心博士研究生张慧,工作人员王海芳、沈晓雨为该论文共同第一作者,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心何杰研究员、严军研究员和杜久林研究员为该论文的共同通讯作者。脑智卓越中心贾新玲、喻曙光、仇小莹、汪玙璠、李艳、魏川耀也对本工作做出了重要贡献。脑智卓越中心学术主任蒲慕明院士给予了指导和论文修改。该工作得到了中科院、基金委科技部以及上海市的资助。 

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