Nature Neuroscience：揭示小鼠大脑中神经元的“前世今生”
哺乳动物的大脑含有许多由一薄层神经上皮祖细胞发育而来的特化细胞。单细胞转录组学揭示了神经系统中数百种分子多样性的细胞类型，但成熟细胞类型和祖细胞之间的谱系关系尚不清楚。
2022年2月24日，典卡洛琳卡学院Jonas Frisén团队在国际学术期刊Nature Neuroscience 上发表了题为“Clonal relations in the mouse brain revealed by single-cell and spatial transcriptomics”的研究文章，利用单细胞和空间转录组学揭示小鼠大脑中的克隆关系。
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高通量单细胞RNA测序(scRNA-seq)揭示了整个小鼠和人类神经系统中数百种分子不同的细胞类型。然而，对细胞多样性发育起源的分子理解仍然有限，而且由于传统命运映射技术的低通量，对亲缘关系的系统分析受到了阻碍。
先进的分子工具已被用于记录细胞谱系，并结合scRNA-seq生成培养细胞，斑马鱼和小鼠的命运图。然而，这些技术并不容易被用来在体内对小鼠大脑中的许多祖细胞进行唯一标记，而且大多数方法都需要组织分离，尽管全转录组原位读出对神经系统的研究至关重要，因为神经系统的功能来自于差异基因表达和电路特异性解剖。
研究人员使用单细胞和空间转录组学描述了来自小鼠前脑的细胞的高通量克隆跟踪和表达谱。在小鼠海马中，发现两组命运受限祖细胞早在胚胎期E9.5天出现。小胶质细胞是由数量有限的祖细胞产生的，这些祖细胞经历了大规模的克隆扩张和在小鼠端脑的广泛迁移。利用条形码小鼠脑组织的空间转录组学再现了脑祖细胞后代的多种迁移模式。该发现证明了在小鼠大脑中高通量克隆追踪的实用性，为在单细胞和组织水平上了解大脑发育提供了分子视角。
研究人员开发了TREX和Space-TREX，分别用于分离的小鼠脑细胞和组织切片的克隆追踪和基因表达谱分析。发现前脑区域的克隆分散是有限的，只有特定的细胞类型与分散的克隆相关联。早在E9.5，在海马神经上皮中就存在两个命运偏向的祖细胞群，这表明了一种意想不到的前体细胞早期分离。一个前体群体的克隆输出表明，这些细胞是Hopx+前体的来源，Hopx+前体在小鼠齿状回中继续成为成年神经干细胞。
研究人员揭示了骨髓源克隆的独特特征，例如与神经外胚层源克隆相比，它们的克隆尺寸较大，分布广泛，分布在多个前脑区域。大的克隆大小可能反映了巨噬细胞在整个中枢神经系统中大量增殖的需要，因为只有少量的前体在E13左右血脑屏障关闭前进入大脑，限制了后期出现的免疫细胞的进入。
胚胎时期的小胶质细胞在进入大脑后会在不同区域内进行长距离的迁移，研究人员发现克隆相关的小胶质细胞也会在解剖边界上进行大规模迁移，从而在大脑的大部分区域内繁殖。小胶质细胞的扩张和扩散是大脑内环境稳定的核心，但目前对这一现象的了解还只是部分，特别是在克隆水平上。因此，TREX等新工具使系统研究小胶质细胞克隆的潜在分子机制成为可能。
研究人员利用Space-TREX，首次演示了高密度克隆跟踪与细胞表型和脑组织原位测序相结合。与以前使用复杂的原位杂交方案和荧光显微镜进行条形码检测的方法相比，Space-TREX依赖于广泛可用的试剂和DNA测序，因此能够在大规模的组织切片上读取条形码。
与传统的命运图谱研究依赖于在几十到数百只(转基因)动物中稀疏标记细胞相比，Space-TREX能够使用10-30倍的动物来高通量密集重建克隆关系。与基于crispr的追踪相比，该技术使用了数以百万计的不同而紧凑的条形码，它们可以被克隆为库，从而实现简单的条形码读取和克隆重建。
综上所述，研究人员使用单细胞和空间转录组学，在小鼠大脑中揭示了早期祖细胞的体内条形码，以同时描述细胞表型和克隆关系。通过重建数千个克隆，在小鼠海马神经上皮中发现了命运受限的祖细胞，并表明小胶质细胞来源于少量的原始髓系前体，这些髓系前体大量扩张并产生广泛分布的后代。
研究人员将空间转录组学与克隆条形码相结合，并在密集标记的组织切片中解密了克隆相关细胞的迁移模式。该方法能够在单个动物的单细胞和组织水平上高通量密集重建细胞表型和克隆关系，并为理解组织结构提供了一个综合的方法。
参考文献
Ratz, M., von Berlin, L., Larsson, L. et al. Clonal relations in the mouse brain revealed by single-cell and spatial transcriptomics. Nat Neurosci 25, 285–294 (2022). https://doi.org/10.1038/s41593-022-01011-x
编译作者：Dr. Hu（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
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