北京时间2023年12月12日，中国科学院动物研究所焦建伟团队、广州国家实验室董骥团队、北京大学杜鹏团队和北京大学靳蕾团队合作，利用华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq结合scRNA-seq，首次解析了迄今为止跨时间点最广（6-23孕周，GW6-GW23）、面积最大（最大4 cmx3 cm）的人脑多区域时空发育转录组图谱。
该研究鉴定并呈现了发育早期不同脑区放射状胶质细胞亚型的区域异质性和空间分布特点，揭示了这些异质性放射状胶质细胞对随后不同脑区神经元的特化做出的贡献，同时发现胶质细胞和神经元互作也会促进神经元的区域特化。相关研究成果在国际顶级期刊Cell发表，以下是文章的详细解读。
文章题目：Spatiotemporal transcriptome atlas reveals the regional specification of the developing human brain
发表时间：2023-12-12
发表期刊：Cell
主要研究团队：中国科学院、广州国家实验室、北京大学等
影响因子：64.500
DOI：10.1016/j.cell.2023.11.016
脑是人类最复杂的器官，为深入了解其组织结构和功能，研究者们将脑划分为不同的脑区，各个脑区之间紧密联系，相互作用，发挥各种功能。而这些脑区是在人类脑发育过程中逐步建立的，这个过程包括很多复杂细胞类型的形成。在这些细胞类型中，有些已经有了明确的特征，但还有许多尚待清晰描述。因此，在人类脑区逐渐特化的发育过程中，脑细胞类型的变化特征和空间分布特点需要进行全面、系统的研究。目前还缺乏对脑发育后期连续时间点的高分辨率空间研究。考虑到人脑体积在发育过程中的急速扩张，这对于探索人脑的发育，特别是区域特化研究提出了巨大的挑战。
利用华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，对人脑多个发育时间点（GW6、GW8、GW10、GW12和GW16）进行空间转录组测序；
利用scRNA-seq技术，分析了人类胚胎不同脑区，包括Cor、Dien、Mid、Cere在内，多个发育时间点（GW6、GW8、GW10、GW12、GW14、GW16和GW23）的单细胞转录组（共228,047个细胞）。
1. Stereo-seq结合scRNA-seq构建人脑不同区域多个发育时间的单细胞时空图谱
研究人员利用Stereo-seq，分析了人脑的多个发育时间点（GW6、GW8、GW10、GW12和GW16），并结合scRNA-seq技术，绘制了人类胚胎不同脑区，包括Cor、Dien、Mid、Cere在内的单细胞时空转录组图谱（共228,047个细胞）。根据经典的标记基因，鉴定出了神经前体细胞、谷氨酸能神经元、GABA能神经元、少突胶质细胞前体细胞、星形胶质细胞前体细胞神经外胚层来源的主要细胞类型，以及中胚层来源的细胞类型（如内皮细胞，周皮细胞和小胶质细胞）等。通过可视化主要细胞类型的空间分布，该研究揭示了发育中人脑不同脑区由不同细胞类型组成的有序分布模式（图1）。
图1 人脑发育时空转录组图谱
2. 空间可视化展现放射状胶质细胞亚型的区域特异性及空间分布特点
利用绘制的单细胞时空图谱，研究人员进一步探索了人脑神经前体细胞（nerve precursor cells，NPC）的分子异质性，并将NPC重新分为五大类，包括放射状胶质细胞（radial glia，RG）、Cor特异的中间祖细胞（intermediate progenitor cells，IPC）、Cere特异的颗粒细胞前体（granule cell precursors，GCP）、前体1（precursors 1，Prec1）和前体2（precursors 2，Prec2）。其中，RG最先出现，且在该阶段已表现出明显的区域异质性（图2）。
图2 人脑发育不同区域NPC亚群和RGs的分子差异的时空分布
研究人员将各脑区的RG细胞进一步分群并观察了RG的空间分布特点（图3）。Cor RG分为oRG和vRG，空间可视化后发现oRG在额叶（frontal lobe，FL）的比例明显高于枕叶（occipital lobe，OL）。研究人员将Dien RG分为Dien RG-1和Dien RG-2，其中Dien RG-1高表达DLX1和DLX2，而Dien RG-2高表达TPBG，且发现Dien RG-1主要分布在Dien腹侧，而Dien RG-2主要分布在Dien背侧；对于Mid RG，除了Mid RG-4已有研究报导，其他5个亚型均为该研究首次鉴定且均具有独特的空间分布特点。Cere RG分为4个亚型，分别为菱形唇（rhombic lip，RL）-RG，脑室区（ventricular zone，VZ）-RG，伯明翰胶质细胞（B glia），以及脑干RG。其中VZ-RG（GABA能神经元的起源）在GW8和GW10时已经很明显，而RL-RG（兴奋性神经元的来源）在GW10时开始增加，表明小脑不同起源神经元的发育时间差异。
图3 在Dien和Mid中识别到的RG亚群空间分布
总之，空间可视化不仅展示了RG亚型的空间分布，而且为后期神经元区域特化提供了关键线索。
3. 时空组学技术揭示脑发育中神经元亚型时空分布特点
为了研究发育中人脑各区域神经元的时空动力学特征，根据差异表达基因，研究人员将62,520个谷氨酸能神经元和59,062个GABA能神经元分别进一步分为17个和20个亚群，并将其中主要亚群映射到空间中（图4）。这些神经元亚群表现出明显的区域异质性和相似性（如发现Cor和Dien的GABA能神经元亚群是高度相似的）。
同时，该研究还揭示了Dien谷氨酸能神经元和GABA能神经元亚型存在显著的背腹侧分布差异。另外，研究人员将Cor兴奋性神经元进一步细分为迁移神经元，上层神经元以及深层神经元的多个亚型。通过可视化这些亚型，实现了在更广的时间窗（GW8-GW16）内观察它们的时空变化特点。这些研究结果揭示了发育中的人脑神经元亚型的时空动态变化和区域多样性。
图4 发育中人脑各区域神经元的分子特征和空间分布
4. 时空单细胞数据揭示异质性RG对神经元的区域特化的贡献
为了探索人脑不同区域特定神经元亚群的发育路径，研究人员通过结合Stereo-seq和scRNA-seq数据，计算并重建了每个区域特定神经元亚群的时空发育轨迹（图5）。其中，有趣的是，研究人员发现Dien RG-1趋向于向LHX6+ GABA能神经元发育，而Dien RG-2趋向于向谷氨酸能神经元发展。
同时，空间可视化结果显示，Dien RG-1和LHX6+GABA能神经元主要位于Dien腹侧，而Dien RG-2和Dien谷氨酸能神经元主要亚群（Glu-3）均主要位于Dien背侧，这进一步验证了单细胞数据分析的结果。上述研究结果有助于更好地理解异质性RG细胞如何对神经元的区域特化做出贡献。
根据差异表达基因和经典标记基因，研究人员接着将GW6-GW23期间不同脑区的少突胶质细胞前体细胞（oligodendrocyte precursor cells，OPC）和星形胶质细胞前体细胞（astrocyte precursor cells，APC）分别分为六种和五种亚型，通过比较分析发现它们的脑区分子异质性相对较小，但是，进一步观察发现这些亚型存在显著的空间分布偏好（图6）。例如，研究人员发现在GW16时，Dien腹侧中OPC和APC亚型的比例都高于Dien背侧。通过受配体分析发现，这些空间偏好性的分布有助于促进神经元区域特化。
图6 人脑发育过程中神经胶质细胞的分子多样性、区域差异和空间分布特征
此项研究通过Stereo-seq结合scRNA-seq，首次刻画多时间点、超大面积的人脑多个区域时空发育转录组图谱，为了解人脑发育、神经元的区域特化和相关疾病提供了宝贵的资源，这一突破为助力治疗脑疾病提供了线索。同时，值得注意的是，这项研究标志着在激烈的国际竞争中，中国科学家在人脑空间组学研究领域进入了世界第一梯队。
中国科学院动物研究所博士后李妍昕、博士后李忠秋、广州国家实验室助理研究员王长亮、北京大学生命科学学院毕业博士生杨敏为该研究的共同第一作者。中国科学院动物研究所焦建伟研究员、广州国家实验室董骥研究员、北京大学杜鹏研究员及北京大学靳蕾副研究员为该研究的共同通讯作者。王雁玲研究团队亦参与了项目协作。
华大生命科学研究院为该研究提供技术支持，华大时空组学生态合作伙伴安诺优达基因科技（北京）有限公司提供技术服务。
内容 | 沙金
审校 | 黎晓玲
