成年哺乳動(dòng)物大腦中不斷的產(chǎn)生新的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，這是一個(gè)與記憶、學(xué)習(xí)和壓力相關(guān)的關(guān)鍵過程。通常認(rèn)為神經(jīng)發(fā)生和少突膠質(zhì)細(xì)胞的生成會(huì)隨著年齡增長(zhǎng)和神經(jīng)病理情況而減少，但究竟減少到什么程度還存在爭(zhēng)議。此外，原祖細(xì)胞是通過嚴(yán)格的、復(fù)雜的表觀遺傳程序控制的，目前對(duì)其表觀遺傳學(xué)圖譜及其在衰老過程中如何變化的知識(shí)仍然有限。因此，定量捕捉新生細(xì)胞并追蹤其轉(zhuǎn)錄組和染色質(zhì)狀態(tài)變化的新方法對(duì)于了解發(fā)育、衰老和疾病狀態(tài)下的細(xì)胞群動(dòng)態(tài)至關(guān)重要。

最近，洛克菲勒大學(xué)的曹俊越團(tuán)隊(duì)在CELL發(fā)表了題為Tracking cell-type-specific temporal dynamics in human and mouse brains的文章，利用TrackerSci并基于小鼠模型研究了不同年齡段以及阿爾茨海默病大腦中新生細(xì)胞的動(dòng)態(tài)變化。

TrackerSci是一種單細(xì)胞組合索引方法，它整合了點(diǎn)擊化學(xué)，通過使用EdU標(biāo)記新合成DNA，以及用于轉(zhuǎn)錄組或染色質(zhì)可及性分析的單細(xì)胞組合索引測(cè)序。本研究使用TrackerSci檢測(cè)了來自整個(gè)小鼠大腦的14,689個(gè)新生細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和染色質(zhì)可及性動(dòng)態(tài)，這些細(xì)胞涵蓋了三個(gè)年齡階段和兩種基因類型的整個(gè)小鼠大腦。數(shù)據(jù)集揭示了大腦中不同的祖細(xì)胞類型及其表觀遺傳特征。該研究通過TrackerSci發(fā)現(xiàn)了幾種以前被忽視的增殖細(xì)胞類型，如血管細(xì)胞、蛛網(wǎng)膜屏障細(xì)胞和垂體干細(xì)胞，還確定了各種新生細(xì)胞類型的分子特征，發(fā)現(xiàn)了比這些細(xì)胞的傳統(tǒng)標(biāo)記物更具特異性的標(biāo)記物，如神經(jīng)發(fā)生標(biāo)記物Tead2和Esco2，它們比著名的神經(jīng)發(fā)生標(biāo)記物（如Sox2和Dcx109）具有更高的特異性。與以往主要強(qiáng)調(diào)基因表達(dá)的研究相比，TrackerSci提供了新生細(xì)胞中基因表達(dá)和表觀遺傳的綜合視圖以探索基因表達(dá)特征背后的表觀遺傳基礎(chǔ)。

圖1 TrackerSci工作流程和實(shí)驗(yàn)方案。

隨著年齡的增長(zhǎng)，祖細(xì)胞的自我更新和再生能力會(huì)下降，研究中觀察到不同祖細(xì)胞類型有不同的細(xì)胞反應(yīng)。值得注意的是，衰老導(dǎo)致神經(jīng)元祖細(xì)胞的增殖潛能明顯降低，而反應(yīng)性小膠質(zhì)細(xì)胞的增殖能力增強(qiáng)。雖然少突膠質(zhì)細(xì)胞祖細(xì)胞的增殖受到輕微影響，但中間分化前體在早期階段就顯著下降，這表明衰老主要阻礙了其分化過程。研究發(fā)現(xiàn)參與細(xì)胞增殖（如Ei24、Arhgap11a、Lzts1和Cep57）和神經(jīng)發(fā)生調(diào)控（如Prdm10、Nrg1、Nrg3和Nr2f1）的驅(qū)動(dòng)基因，在使用來自年輕和衰老大腦的NPCs進(jìn)行CRISPR篩選時(shí)得到了進(jìn)一步證實(shí)。此外，檢測(cè)到OPCs中Smpd4的表達(dá)隨年齡增長(zhǎng)而增加，Sgms1的表達(dá)隨年齡增長(zhǎng)而減少，這表明細(xì)胞神經(jīng)酰胺水平高與衰老引起的少突膠質(zhì)細(xì)胞分化抑制有關(guān)。

本研究進(jìn)一步量化了與年齡相關(guān)的細(xì)胞類型特異性增殖和分化的變化，并破譯了相關(guān)的分子程序，同時(shí)將研究擴(kuò)展到老年人腦中的祖細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)了跨物種的保守遺傳特征，并確定了特定區(qū)域的細(xì)胞動(dòng)態(tài)。

本研究展示了TrackerSci數(shù)據(jù)集作為檢測(cè)人腦中罕見增殖或分化細(xì)胞錨點(diǎn)的潛力。通過對(duì)老齡人腦五個(gè)解剖區(qū)域的近80萬單個(gè)細(xì)胞核進(jìn)行分析，并與TrackerSci數(shù)據(jù)集進(jìn)行整合，發(fā)現(xiàn)了老齡人腦中稀有祖細(xì)胞的區(qū)域特異性和細(xì)胞類型特異性特征，并觀察到了不同物種少突發(fā)生的保守和差異分子特征。雖然初步分析并未在老年人腦樣本中發(fā)現(xiàn)明確的神經(jīng)發(fā)生相關(guān)群體（可能是由于神經(jīng)發(fā)生細(xì)胞的固有稀缺性或?qū)ι窠?jīng)發(fā)生區(qū)域的非靶向取樣造成的），但發(fā)現(xiàn)小腦中的少突膠質(zhì)細(xì)胞相對(duì)于其他腦區(qū)有所減少，并發(fā)現(xiàn)了特定區(qū)域的基因控制機(jī)制，并進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了該技術(shù)在鑒定人類樣本增殖事件方面的潛力。

圖2 TrackerSci有助于識(shí)別人腦中增殖和分化的細(xì)胞

綜上所述，本研究通過對(duì)大腦新生細(xì)胞單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和染色質(zhì)可及性動(dòng)態(tài)的全面觀察，可以深入了解與衰老相關(guān)的細(xì)胞類型特異性增殖和分化變化以及相關(guān)的分子程序，朝著了解衰老對(duì)哺乳動(dòng)物大腦祖細(xì)胞增殖和分化潛能的影響邁出的關(guān)鍵一步。TrackerSci將被廣泛用于識(shí)別和量化不同系統(tǒng)的細(xì)胞生成過程，包括其他哺乳動(dòng)物器官和人源化器官組織。類似的策略（即將sci-seq平臺(tái)與體內(nèi)細(xì)胞標(biāo)記相結(jié)合）同樣適用于其他關(guān)鍵研究，如細(xì)胞類型特異性存活、凋亡和衰老狀態(tài)。這將有助于全面了解衰老過程中調(diào)控細(xì)胞類型特異性動(dòng)態(tài)的分子程序，從而為衰老相關(guān)疾病患者恢復(fù)組織穩(wěn)態(tài)的潛在途徑提供信息。

參考文獻(xiàn)：Lu et al., Tracking cell-type-specific temporal dynamics in human and mouse brains, Cell (2023), https:// doi.org/10.1016/j.cell.2023.08.042

編譯作者：張建國(guó)（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

校審：Simon（brainnews編輯部）