合作解碼人脊髓的時空發(fā)育特征

脊髓 作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要組成部分，是連接大腦和周圍神經(jīng)的重要橋梁。脊髓對于機體感知刺激及與環(huán)境互動至關(guān)重要。一方面它通過背角神經(jīng)元接受來自皮膚、肌肉和內(nèi)臟器官的感覺信息并傳遞給中樞；另一方面它通過腹角的運動神經(jīng)元執(zhí)行運動指令。脊髓復(fù)雜多樣的細胞構(gòu)成是實現(xiàn)感覺及運動功能的基礎(chǔ)。脊椎動物的細胞命運決定受到嚴格的時空調(diào)控，以確保精確無誤地建立神經(jīng)回路。探究脊髓發(fā)育的時空調(diào)控機制對于理解發(fā)育障礙疾病的病理機制及為脊髓損傷提供治療思路有重要意義。雖然在小鼠及雞等模式動物中進行了大量的研究，人類脊髓發(fā)育的時空調(diào)控機制尚知之甚少。

 該研究通過實驗室建立的解碼轉(zhuǎn)錄因子（TF）表達的空間轉(zhuǎn)錄組方法——TF-seqFISH，并綜合單細胞轉(zhuǎn)錄組測序等技術(shù)手段，系統(tǒng)解析了人脊髓發(fā)育的時空發(fā)育特征和調(diào)控機制。

轉(zhuǎn)錄因子對于調(diào)控脊髓發(fā)育至關(guān)重要。為了解析轉(zhuǎn)錄因子在人脊髓發(fā)育過程中的空間表達規(guī)律，經(jīng)過多年攻關(guān)，團隊研發(fā)出了基于單分子成像的單細胞空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)TF-seqFISH（Transc[x]ription Factor sequential Fluorescence In Situ Hybridization），該技術(shù)可以檢測人至少1085個轉(zhuǎn)錄因子的mRNA在單個細胞中的亞細胞定位和表達量。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用TF-seqFISH結(jié)合人脊髓發(fā)育的多個時期的單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究團隊提供了單個細胞和基因表達的空間位置信息，從而為探究人脊髓發(fā)育的時空調(diào)控機制提供了寶貴的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

該研究發(fā)現(xiàn)位于發(fā)育期VZ區(qū)的人脊髓神經(jīng)祖細胞并不是勻質(zhì)的，而是呈現(xiàn)出了多樣的分子特征且沿背腹軸有序分布?；诮?jīng)典基因的表達模式以及發(fā)育軌跡分析的結(jié)果，作者在scRNA-seq數(shù)據(jù)中定義出了不同的神經(jīng)祖細胞和神經(jīng)元亞型，并確定了其譜系對應(yīng)關(guān)系。TF-seqFISH提供了一個解析轉(zhuǎn)錄因子的空間表達模式的良好平臺。借助于TF- seqFISH和scRNA-seq數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析，研究人員進一步闡明了不同的神經(jīng)祖細胞亞型沿背腹軸的空間分布模式（dp1 dp2 dp3-6 p0/1  pMN p2/3）。另外，該研究也解析了在內(nèi)外軸方向上進行的神經(jīng)發(fā)生、分化、遷移及成熟等過程 。

脊髓背角負責處理感覺信息，其神經(jīng)元空間排布呈現(xiàn)出分層模式。不同層的背角神經(jīng)元處理不同的感覺信息。但是有關(guān)脊髓背角發(fā)育及神經(jīng)元有序排布的機制尚缺乏研究。研究團隊發(fā)現(xiàn)在人脊髓背角中存在早期（早于GW8）和晚期（晚于GW8）兩波神經(jīng)發(fā)生事件，并確定了GW8是關(guān)鍵的時間點。得益于空間信息的可獲取性，研究團隊還揭示了早期和晚期產(chǎn)生的神經(jīng)元分別定位于脊髓背角的深層和淺層，這對于解析脊髓背角神經(jīng)元分層排布模式的建立機制有重要意義。 該研究進一步確定了早期和晚期產(chǎn)生的神經(jīng)元的細胞身份。特別值得一提的是，該研究基于TF-seq FISH 數(shù)據(jù)首報道了在人脊髓背角中瞬時存在由興奮性和抑制性中間神經(jīng)元所形成的三明治樣（Sandwich-like）的細胞排布模式。這種Sandwich-like結(jié)構(gòu)存在于所有脊髓節(jié)段中且在小鼠脊髓中也可以檢測到，提示其可能在進化上是保守的。此外，該研究也解析了腹角運動神經(jīng)元和脊髓星形膠質(zhì)細胞多樣性形成的分子及時空調(diào)控程序，并發(fā)現(xiàn)調(diào)控星形膠質(zhì)細胞空間定位的分子機制在很大程度和神經(jīng)元是一致的。

另外，該研究在胚胎發(fā)育期的人脊髓中發(fā)現(xiàn)了一類與之前報道的疾病相關(guān)小膠質(zhì)細胞（Disease Associated Microglia，DAM）相類似的小膠質(zhì)細胞（DAM-like）。這類DAM-like小膠質(zhì)細胞主要分布于人脊髓白質(zhì)且其出現(xiàn)時間與人脊髓髓鞘發(fā)生時間相吻合。進而，通過scRNA-seq和漸凍癥（ALS）的GWAS數(shù)據(jù)聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)DAM-like小膠質(zhì)細胞富集表達ALS高風險基因，提示其可以作為研究ALS致病機制的新靶點，為研究和治療ALS提供了新思路。