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Science | 中国科学家发布跨物种小脑皮层单细胞空间转录组图谱

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-09-27 09:21

正文

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。

图一：小脑皮层的神经元构成

（图片引用自：https://vanat.ahc.umn.edu/neurLab6/Circuits.html）

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，由于小脑除了占小脑神经元数量99%以上的颗粒细胞外，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。

9月27日， Science期刊在线发表了题为“ Cross-species single-cell spatial transcriptomic atlases of the cerebellar cortex ” 的研究论文，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）联合杭州华大生命科学研究院、上海脑科学与类脑研究中心、中国科学院遗传进化与动物模型重点实验室、临港实验室、华南理工大学、腾讯AI Lab等单位近100人的科研团队合作完成。

在本研究中，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。

图二：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。

图三：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。

图四：本研究的重要发现

综上所述，本研究构建了猕猴、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。这些数据为该领域的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。

该研究成果已在线发表，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。

这一研究成果对于推动小脑研究的发展具有重要意义，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。

中国科学院脑智卓越中心（神经科学研究所）研究员刘赐融、孙怡迪、刘志勇、沈志明，杭州华大生命科学研究院研究员刘石平、刘龙奇，鹿特丹伊拉斯姆斯大学神经科学系Chris I. De Zeeuw教授为该论文共同通讯作者。杭州华大生命科学研究院副研究员郝世杰、联合培养博士研究生黄智、吴言，脑智卓越中心联合培养博士研究生朱晓嘉、杨倩倩、博士后研究员詹亚峰、董宇、单细胞平台主任李超、研究助理刘合安为该论文的共同第一作者。

中国科学院脑智卓越中心刘赐融组（www.cebsit.cas.cn/yjz/liucirong/yjfx/），主要以狨猴为研究对象，采用磁共振成像、空间转录组、介观连接组、电生理记录及行为学实验等研究方法, 开发脑图谱工具，研究脑网络和脑连接的结构功能基础和生理机制。现因科研工作需要，研究组公开招聘博士后。应聘者请将简历及应聘材料通过电子邮件发送至[email protected]和[email protected](邮件请注明“应聘刘赐融组XX职位”)，符合要求者，将尽快安排面试。

中国科学院脑智卓越中心孙怡迪组（http://www.cebsit.cas.cn/yjz/syd/yjfx_156298/）主要利用计算生物学的方法开发更高效的多组学数据整合方法，并应用于大脑细胞图谱研究、复杂疾病分子标志物预测和高精度基因编辑工具开发。研究组长孙怡迪近两年在Cell、Science, Nature, Cancer Cell, Nature Methods等杂志上发表了一系列研究论文。现因工作需要，公开招聘博士后。请申请者将个人简历、研究工作经历、代表性论文、未来工作计划及其他能证明本人能力水平的有关资料的电子文本发至：[email protected]和[email protected]，申请时请注明“应聘孙怡迪组博士后”。

原文链接：

science.org/doi/10.1126/science.ado3927

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