中大新聞網(wǎng)訊（通訊員唐艷麗）成年靈長(zhǎng)類是否存在活躍的神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象依然存在爭(zhēng)論。2022年5月30日，中山大學(xué)中山眼科中心劉勝/劉奕志/向孟清團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在Nature Neuroscience（影響因子25）在線發(fā)表研究論文“Single-cell transcriptomics of adult macaque hippocampus reveals neural precursor cell populations”。該研究全面繪制了成年靈長(zhǎng)類的神經(jīng)發(fā)生細(xì)胞圖譜，優(yōu)化的免疫熒光染色和神經(jīng)前體細(xì)胞體外培養(yǎng)證實(shí)了成年食蟹猴海馬存在活躍的神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象。該研究對(duì)促進(jìn)成體神經(jīng)發(fā)生，修復(fù)受損的神經(jīng)系統(tǒng)，如視覺功能損傷、運(yùn)動(dòng)障礙以及記憶喪失等疾病的最終治療都具有重要的醫(yī)學(xué)意義。
神經(jīng)細(xì)胞是構(gòu)成神經(jīng)系統(tǒng)的基本功能單元，能編碼、傳遞和解碼信息，猶如構(gòu)建高樓大廈的一磚一瓦。傳統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)的觀點(diǎn)認(rèn)為神經(jīng)元不能再生，一旦死亡，就是永久性的。青光眼、視神經(jīng)損傷和視覺通路缺血等都可以導(dǎo)致視神經(jīng)細(xì)胞的死亡，影響視覺功能，甚至造成失明。多巴胺神經(jīng)元死亡會(huì)導(dǎo)致帕金森癥，造成患者運(yùn)動(dòng)功能喪失。而阿爾茨海默病會(huì)導(dǎo)致與高級(jí)認(rèn)知和記憶相關(guān)的神經(jīng)元死亡，從而使記憶和認(rèn)知功能下降。目前針對(duì)這些疾病，還缺乏有效的治療方法。
海馬齒狀回是成年哺乳動(dòng)物可以持續(xù)產(chǎn)生新生神經(jīng)元的兩個(gè)腦區(qū)之一。小鼠海馬區(qū)的神經(jīng)干細(xì)胞會(huì)分裂增殖并分化成新的神經(jīng)元，并能與環(huán)路進(jìn)行整合，發(fā)揮生理功能。而成年靈長(zhǎng)類動(dòng)物海馬是否存在活躍的神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象一直存在較大的爭(zhēng)議。全面系統(tǒng)的研究靈長(zhǎng)類的成年神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象對(duì)最終治療視覺功能損傷、中樞神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)障礙以及記憶、認(rèn)知功能障礙都具有重要的醫(yī)學(xué)意義。
以往對(duì)成年靈長(zhǎng)類大腦單細(xì)胞測(cè)序研究是使用單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序(single nuclei RNA-seq)技術(shù)，只能檢測(cè)到細(xì)胞核中的RNA，而本課題中研究人員優(yōu)化和改進(jìn)了靈長(zhǎng)類腦組織的單細(xì)胞分離技術(shù)，首次在成年靈長(zhǎng)類腦研究中使用了全細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)(single cell RNA-seq)，繪制了成年食蟹猴(Macaca fascicularis)海馬體神經(jīng)發(fā)生的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，并描述了他們的細(xì)胞分化軌跡以及基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(gene regulatory network，regulon)。結(jié)合經(jīng)典分子標(biāo)記、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)整合以及細(xì)胞轉(zhuǎn)錄本瞬間態(tài)的RNA速度(RNA velocity)的方法，確立了神經(jīng)發(fā)生過程中的關(guān)鍵細(xì)胞類型，包括放射狀膠質(zhì)樣細(xì)胞(radial glia-like cells， RGL)，中間前體細(xì)胞(intermediate progenitor cells，IPC)，以及神經(jīng)母細(xì)胞(neuroblast，NB)等。這些細(xì)胞類型及其分化軌跡的確立，在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組水平上完整重構(gòu)了靈長(zhǎng)類神經(jīng)發(fā)生分子過程(圖1)。
圖1解析成年靈長(zhǎng)類海馬體神經(jīng)發(fā)生的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜。 a. 靈長(zhǎng)類海馬體單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)路線圖，熒光尼氏染色圖是具有齒狀回的食蟹猴海馬結(jié)構(gòu)；b. 對(duì)食蟹猴海馬的單細(xì)胞數(shù)據(jù)UMAP降維分群展示圖；c.免疫染色證明增殖的前體細(xì)胞的存在。
研究人員發(fā)現(xiàn)靈長(zhǎng)類動(dòng)物與小鼠的成年神經(jīng)發(fā)生既存在共同點(diǎn)，又存在實(shí)質(zhì)性差異，特別是通過細(xì)胞分化軌跡分析以及經(jīng)典的神經(jīng)發(fā)生的標(biāo)志基因DCX免疫熒光染色，發(fā)現(xiàn)了成年靈長(zhǎng)類動(dòng)物海馬體中存在大量的未成熟新生神經(jīng)元，而成年小鼠中的未成熟新生神經(jīng)元數(shù)量非常低，提示成年靈長(zhǎng)類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可塑性與嚙齒類存在重要差異。對(duì)這些物種間神經(jīng)發(fā)生的共同性和差異性的研究，有助于利用小鼠的已經(jīng)積累的豐富神經(jīng)發(fā)生知識(shí)推動(dòng)目前知之甚少的靈長(zhǎng)類神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象的研究，以及向臨床方向轉(zhuǎn)化。
研究者發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)發(fā)生過程中，參與調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞增殖的一個(gè)重要基因HMGB2 (High-Mobility Group Protein B2)。HMGB2蛋白可與染色質(zhì)結(jié)合，參與基因表達(dá)的調(diào)控，其表達(dá)量與RGL 向IPC 的轉(zhuǎn)化過程密切相關(guān)。這一基因的發(fā)現(xiàn)對(duì)進(jìn)一步研究調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞增殖具有重要意義(圖2)。
圖2 成年靈長(zhǎng)類海馬體神經(jīng)發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)控基因及體外驗(yàn)證。a.免疫熒光染色證明HMGB2 基因表達(dá)量與RGL 向IPC 的轉(zhuǎn)化過程密切相關(guān)； b.分離培養(yǎng)的成年食蟹猴海馬細(xì)胞具有多次分裂及傳代潛能，并表達(dá)典型的神經(jīng)干細(xì)胞標(biāo)志物；c.單細(xì)胞測(cè)序證明體外培養(yǎng)海馬細(xì)胞表達(dá)典型的神經(jīng)干細(xì)胞標(biāo)志物基因。
為進(jìn)一步驗(yàn)證成年靈長(zhǎng)類動(dòng)物海馬存在神經(jīng)前體細(xì)胞和具有神經(jīng)發(fā)生的潛能，研究人員通過分離培養(yǎng)成年食蟹猴海馬細(xì)胞，獲得了具有多次分裂及傳代潛能的神經(jīng)前體細(xì)胞，并應(yīng)用單細(xì)胞測(cè)序和免疫熒光染色等技術(shù)證明該細(xì)胞具有典型的神經(jīng)干細(xì)胞屬性，不僅表達(dá)多種神經(jīng)干細(xì)胞的分子標(biāo)記，而且能夠向神經(jīng)元及膠質(zhì)細(xì)胞方向分化。結(jié)合體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步證實(shí)了成年靈長(zhǎng)類動(dòng)物海馬存在神經(jīng)前體細(xì)胞和神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象(圖2)，在干細(xì)胞治療以及藥物篩選方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
中山大學(xué)中山眼科中心、眼科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為本論文第一單位。中山大學(xué)中山眼科中心的郝趙哲、韋佳如、肖冬長(zhǎng)為本論文共同第一作者，中山大學(xué)中山眼科中心的劉勝研究員，劉奕志教授和向孟清教授以及European Bioinformatics Institute 的苗智超研究員為本文共同通訊作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41593-022-01073-x
