王晓群/吴倩合作解码海马体发育与形成的细胞与分子机制

海马体(hippocampus),是由端脑的内侧区域发育而来,是大脑中一个至关重要的特殊结构。海马体是边缘系统的一部分,在信息编码、短时记忆、长时记忆、空间导航等方面发挥着重要作用,另外,海马体和癫痫、智力障碍、阿尔茨海默病等多种病理的发病机制密切相关,引起了临床医生和神经科学家的广泛关注。
 
图片引自:https://www.medicalnewstoday.com
 
在阿尔茨海默氏症中,海马体是最先受到影响的大脑区域之一,早期症状包括记忆力丧失和定向障碍。海马体的发育对于我们深入研究记忆功能的形成的细胞和分子机制有着不可替代的必要性,虽然海马体是脊椎动物大脑中一个进化上保守的器官,但对发育中的人类海马体的细胞和分子特征仍缺乏了解。海马体是脊椎动物大脑中一个进化上保守的器官,但是人类和啮齿类动物的海马体在漫长的进化过程中依然产生了极大的差异。
2020年1月15日,中科院生物物理研究所王晓群研究员联合北京师范大学吴倩研究员共同在Nature上在线发表题为Decoding the development of the human hippocampus 的文章。该工作系统分析人脑海马胚胎期发育动态过程的单细胞转录组和表观遗传组数据库,并对其中关键的神经干细胞的动态发育进行系统的功能研究,揭示了人脑海马在动态变化的发育过程以及记忆功能环路的形成的分子机制。
该项研究的发现主要有:
(1)研究人员通过详尽地深入挖掘人类和啮齿类动物海马体的单细胞转录组数据,发现在发育时程中人类海马体的胚胎期发育程度竟然已经和小鼠出生后0-5天的状态相似,这表明人类海马体与啮齿类动物相比,更早地进入发育期但其发育期要持续一段更长的时间。随后,研究人员通过对人类和啮齿类动物的差异基因分析,筛选出一系列人类海马体特有的基因,如STX10, CHMP4A, BEX5, NBPF1 和long non-coding RNA CASC15等。NBPF基因是一个庞大的人类特有的基因家族,这个基因家族拥有一个重复的结构域称为DUF1220,与大脑的进化和复杂结构息息相关。于是研究人员通过体外胚胎注射给胚胎小鼠外源表达人类海马特有的关键基因NBPF1,观察发现海马体的DG区域发生了显著的膨大,颗粒细胞的数量发生了明显的增加,并结合精准patch-seq技术,研究人员对由于外源表达人类特征基因NBPF1的小鼠颗粒细胞进行收集,并且提取单细胞的转录组进行实时荧光PCR,发现NBPF1基因的外源表达显著提高了LHX2的表达,并通过激活WNT信号通路来加快海马体DG区的发育,并与ATAC-seq分析结果相互对应。
(2)在该研究中,利用ATAC-seq手段分析了胚胎发育后期海马体的表观遗传组学,经过深入挖掘发现海马体发育的关键转录因子 PROX1的启动子区域具有LEF1和TCF4的结合位点,暗示着WNT信号通路对DG区的形成具有至关重要的作用。海马体和前额叶皮层区域在发育中过程中存在协同发育,并且在发育成熟后共同承担空间记忆和情绪相关记忆中的作用的信号通路。为了揭示人类海马体和前额叶皮层在发育中的异同,研究人员通过将二者转录组进行多角度对比发现,第一,两个不同的区域的差异性基因分子,TOX在前额叶皮层中特异性表达,而SOX4,SOX11则对海马体发育极为重要;第二,海马体和前额叶皮层的神经元发育存在差异;第三,在海马体中,少突胶质细胞在胚胎期16周就已经广泛存在,而在前额叶皮层中却未曾出现。
(3)过去的研究更多地认为PAX6+和HOPX+阳性的干细胞负责海马体的神经发生,而通过时序建模分析结合免疫荧光染色,该工作研究突破性地发现这一群干细胞不仅能够负责人类海马体的神经发生,还能够承担人类海马体的胶质发生,更有趣的是,PAX6+和HOPX+阳性的细胞是两个独立的从不同方向迁移汇入海马体,并共同承担海马体的神经发生和胶质发生的干细胞群体。正是如此复杂多样的干细胞群体组成,共同架构出海马体的精细结构和丰富功能。
(4)最后,该研究对在海马体的发育的进程中神经发生进行了系统研究。在过去的认识中,我们只知道海马体多个独立而又关联密切的区域在出生后已经初步形成并开始行使其功能,但对于这些区域在发育期的特征基因和发育差异却知之甚少。研究人员通过对神经元单细胞转录组数据的系统分析和深度挖掘,首次揭示了人类海马体的区域基因包括SEMA5A(DG区),PID1(CA1区),SULF2(CA3区),NRIP3(CA3区)等并通过原位杂交进行了验证,通过细胞的成熟度分析,还提出了CA1区神经元要比CA3和DG区的更为成熟的观点。另外,通过GO分析揭示了在人类海马区发育过程中兴奋神经元神经发生、成熟的三个关键阶段:(一)16-18周,海马体处于密集的神经发生期;(二)20-22周,海马体神经元开始逐渐成熟;(三)25-27周,海马体神经元开始表达关键功能蛋白并初步形成有功能的神经网络的阶段。
 
总的来说,该工作结合跨物种平台,多角度比较在海马的进化过程中,人类与啮齿类动物海马的关键差异,全方位多层次地揭示海马发育的重要关键时间节点以及关键基因,为阿兹海默症的临床应用和治疗提供有力的前期基础。
据悉,该研究中中国科学院生物物理所的研究人员钟穗娟博士、丁文玉博士、孙乐副研究员、博士生卢玉峰为本文共同第一作者。
原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1917-5
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