2022年3月3日，北京博奧晶典生物技術(shù)有限公司合作中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所焦建偉、北京大學(xué)杜鵬、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所王雁玲、北京大學(xué)靳蕾等研究人員在?Cell Stem Cell（IF: 24.633）發(fā)表發(fā)育中的人類大腦不同區(qū)域的小膠質(zhì)細(xì)胞的最新研究成果“Decoding the temporal and regional specification of microglia in the developing human brain”。該研究分析了來(lái)自發(fā)育中的人類大腦不同區(qū)域的小膠質(zhì)細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，定義和表征了與區(qū)域規(guī)范和狀態(tài)轉(zhuǎn)換相關(guān)的早期小膠質(zhì)細(xì)胞命運(yùn)決定。本研究中 10x Genomics 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序由博奧晶典提供。

【發(fā)表期刊】Cell Stem Cell

【發(fā)布時(shí)間】2022年3月

【影響因子】24.633

【發(fā)表單位】中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所&北京大學(xué)

研究背景

作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）的先天免疫細(xì)胞，小膠質(zhì)細(xì)胞在免疫、監(jiān)視和保護(hù)健康的 CNS 方面發(fā)揮著重要作用。小膠質(zhì)細(xì)胞的區(qū)域相關(guān)異質(zhì)性和狀態(tài)轉(zhuǎn)換（靜息狀態(tài)到激活狀態(tài)）對(duì)大腦發(fā)育和神經(jīng)發(fā)病機(jī)制很重要，然而這一機(jī)制目前尚不清楚。因此，有必要充分表征和理解在早期大腦發(fā)育過(guò)程中伴隨著小膠質(zhì)細(xì)胞區(qū)域規(guī)范的發(fā)育命運(yùn)決定和狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

研究思路

主要結(jié)果

1、scRNA-seq 構(gòu)建人胚胎腦不同區(qū)域小膠質(zhì)細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜

研究對(duì)人胚胎 Carnegie Stage（CS）12卵黃囊 及頭部組織、不同孕周（GW8-GW23）胚胎腦不同解剖位置（大腦、間腦、中腦、小腦）進(jìn)行消化，后分選分選 CD45+CD33+?細(xì)胞進(jìn)行 10x Genomics 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，共獲得 12565 個(gè)胚胎小膠質(zhì)細(xì)胞，20個(gè) cluster 定義為 4 大類細(xì)胞類型：起源、增殖、免疫應(yīng)答和神經(jīng)元基因富集相關(guān)的小膠質(zhì)細(xì)胞，并對(duì)四大類小膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行分子表達(dá)特征分析（圖1）。

2、小膠質(zhì)細(xì)胞區(qū)域規(guī)范的不同發(fā)育軌跡分析

為了可視化和重塑來(lái)自 CS12 的同一組原始骨髓祖細(xì)胞的神經(jīng)元基因富集和免疫相關(guān)小膠質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞命運(yùn)決定軌跡，研究人員對(duì)來(lái)自四個(gè)單獨(dú)大腦區(qū)域的小膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行 Monocle2 分析，對(duì)來(lái)自整個(gè)大腦的細(xì)胞進(jìn)行 URD 分析，都顯示出相似的結(jié)果：源自 CS12 卵黃囊和頭部 的小膠質(zhì)細(xì)胞祖細(xì)胞首先啟動(dòng)細(xì)胞增殖，在不同的細(xì)胞周期階段，然后這些增殖小膠質(zhì)細(xì)胞向兩種不同的細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變：免疫或神經(jīng)元基因富集特征（圖2）。

3、胚胎皮層發(fā)育過(guò)程中小膠質(zhì)細(xì)胞的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

為了更精確地解碼胎兒中樞神經(jīng)系統(tǒng)早期發(fā)育過(guò)程中小膠質(zhì)細(xì)胞的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，研究人員收集共計(jì)7例不同孕周（GW8-GW23）的人胚胎皮層組織，消化后流式分選 CD45intCD11Bpos?細(xì)胞進(jìn)行 10x Genomics 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄測(cè)序，共獲得 25891 個(gè)小膠質(zhì)細(xì)胞，構(gòu)建了人類發(fā)育中的大腦皮層小膠質(zhì)細(xì)胞單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄圖譜。研究人員使用免疫熒光染色實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并證實(shí)這些新發(fā)現(xiàn)的 cluster 出現(xiàn)在不同的大腦發(fā)育階段（圖3）。

4、發(fā)育中小膠質(zhì)細(xì)胞的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?cè)谌撕托∈蟮谋Ｊ匦苑治?/strong>

研究人員收集胚胎小鼠 E8.5 卵黃囊（第 8.5 天）、E9.5 胚胎小鼠的頭部和 E10.5-P20 發(fā)育中的小鼠大腦的皮層區(qū)域（Cor）組織，進(jìn)行消化，并分選純化 Cd45intCd11bpos?骨髓細(xì)胞，進(jìn)行 10x Genomics 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，共獲得 41415 個(gè)細(xì)胞。通過(guò)描繪人和小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育不同階段相關(guān)性的熱圖發(fā)現(xiàn)人類和小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中靜息/活躍狀態(tài)轉(zhuǎn)換存在保守性，并用小提琴圖展示了人和小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞中典型小膠質(zhì)細(xì)胞基因和激活基因的表達(dá)趨勢(shì)，及巨噬細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá)趨勢(shì)（圖4）。

5、人和小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞分子特征的差異分析

接下來(lái)，研究人員分析了人類（CS12-YS 和 CS12-Head）和小鼠（E8.5-YS、E9.5-Head 和 E10.5）小膠質(zhì)細(xì)胞起源相關(guān)樣本中的 DEG 的熱圖，發(fā)現(xiàn)人類 CS12-Head 在轉(zhuǎn)錄組水平上與小鼠 E10.5 最相似。此外，人類（GW8-GW23）和小鼠（E13.5-P20）大腦皮層樣本使用 Seurat 或 LIGER 分析，均發(fā)現(xiàn)人和小鼠的大多數(shù)細(xì)胞類型都可以合并在一起，表明人類和小鼠的幾種細(xì)胞類型和發(fā)育途徑是保守的，但人和小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞分子特征存在差異。首先是物種特異性基因的表達(dá)：人類有 139 個(gè)高表達(dá)基因，小鼠中有 98 個(gè)高度富集的基因。其次是功能亞類的差異：人類有 638 個(gè)富集的基因，小鼠中有 597 個(gè)上調(diào)基因；GSEA表明，與小鼠相比，人類細(xì)胞的粘附分?jǐn)?shù)、細(xì)胞因子相互作用、MAPK 信號(hào)通路和 Toll 樣信號(hào)通路均富集（圖5）。

全文亮點(diǎn)

1

構(gòu)建了來(lái)自不同腦區(qū)的人類小膠質(zhì)細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜；

2

研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元基因富集的小膠質(zhì)細(xì)胞在早期 CNS 發(fā)育中動(dòng)態(tài)出現(xiàn)；

3

研究發(fā)現(xiàn)免疫相關(guān)小膠質(zhì)細(xì)胞在中間階段后區(qū)域特化；

4

進(jìn)行了跨物種的人和小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞的比較。

總之，該研究分析了來(lái)自發(fā)育中的人類大腦不同區(qū)域的小膠質(zhì)細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，定義和表征了與區(qū)域規(guī)范和狀態(tài)轉(zhuǎn)換相關(guān)的早期小膠質(zhì)細(xì)胞命運(yùn)決定。這些發(fā)現(xiàn)將為研究小膠質(zhì)細(xì)胞正常功能及相關(guān)疾病機(jī)理研究提供重要的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)LiY, Li Z, Yang M, Wang F, Zhang Y, Li R, Li Q, Gong Y, Wang B, Fan B, Wang C, Chen L, Li H, Ong J, Teng Z, Jin L, Wang YL, Du P, Jiao J. Decoding the temporal and regional specification of microglia in the developing human brain.?Cell Stem Cell. 2022 Feb 17: S1934-5909(22)00055-8. doi:10.1016/j.stem.2022.02.004. Epub ahead of print. PMID: 35245443.

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