跨物种时空转录组图谱揭示星形胶质细胞异质性发育规律及其进化特征

《Neuron》：A transcriptomic atlas of astrocyte heterogeneity across space and time in mouse and marmoset

本刊推荐：为解析大脑星形胶质细胞区域异质性的发育规律和物种间保守性，研究人员通过单核RNA测序技术构建了小鼠和狨猴多个脑区、多个发育时间点的转录组图谱。研究发现星形胶质细胞在胚胎期就已呈现区域特异性模式，且该模式在出生后发生显著变化；跨物种比较揭示了数百个物种差异表达基因，扩展显微镜技术进一步证实了星形胶质细胞形态的区域特异性。该研究为理解神经环路组装和功能的细胞基础提供了重要资源。

　　

大脑作为人体最复杂的器官，其正常功能依赖于数千种分子定义的不同细胞类型的精确协作。长期以来，神经元作为大脑的主要功能细胞受到了广泛关注，而星形胶质细胞作为数量最多的胶质细胞类型，其在神经环路组装和功能中的重要作用近年来才逐渐被认识。虽然星形胶质细胞的形态异质性早已被描述，但其分子异质性，特别是跨脑区和跨发育时间的异质性模式，以及这些模式在物种间的保守性，至今尚未完全阐明。

为了解决这一知识缺口，并深入理解星形胶质细胞区域特化的发育时间进程，美国麻省理工学院麦戈文脑研究所的Guoping Feng团队在《Neuron》杂志上发表了最新研究成果。研究人员应用单核RNA测序技术，系统性地描绘了小鼠和狨猴四个脑区（前额叶皮层、运动皮层、纹状体和丘脑）六个发育时间点的脑细胞转录组图谱，构建了一个包含近150万个细胞核的统一资源。通过对星形胶质细胞的深入分析，揭示了其区域异质性在胚胎期已初步建立，并在出生后经历显著重塑的发育规律，以及这些特征在物种间的保守性和差异性。

研究人员主要通过单核RNA测序（snRNA-seq）技术对小鼠和狨猴多个发育时间点、多个脑区的组织样本进行测序，并利用扩展显微镜（ExR）技术对星形胶质细胞形态和蛋白表达进行高分辨率成像。测序数据经过严格质控和整合后，使用多种生物信息学方法（如scVI、Palantir、CellPhoneDB等）进行细胞聚类、差异表达分析、细胞间通讯预测和伪时间轨迹分析等。

星形胶质细胞区域异质性在胚胎期已形成并在出生后发育过程中不断演变

研究人员发现，在两个物种的所有发育时间点，星形胶质细胞均表现出显著的区域异质性，特别是端脑（皮层和纹状体）和间脑（丘脑）起源的星形胶质细胞之间差异最为明显。虽然星形胶质细胞在胚胎晚期已呈现区域模式，但这种区域特异性的基因表达特征在出生后早期发育过程中发生显著变化，从出生（新生儿或P4）到青春期早期（7个月或P14）尤为剧烈。区域差异表达基因（rDEGs）的分析表明，相对较少的rDEGs在整个生命周期中持续作为区域模式的特征，而大部分rDEGs在发育早期（胎儿和新生儿）以及青春期晚期、年轻成年期和老年期之间共享较多，提示星形胶质细胞的区域基因表达特征在胚胎大脑中出现，在出生后早期发育过程中发生剧烈变化，并在青春期至成年期趋于稳定。

区域异质性具有细胞类型特异性且涉及关键细胞功能

与神经元或少突胶质前体细胞（OPCs）相比，星形胶质细胞的区域差异表达基因大多是其特有的，即使在其共享谱系的细胞类型中也是如此。功能分析显示，这些rDEGs富集于ephrin信号、突触传递、钙离子稳态、谷氨酸能突触传递、氧化谢信号等通路，表明星形胶质细胞区域特化以适应其局部神经元环路的生理需求。例如，ephrin配体（如EFNB2、EFNA5）和受体（如EPHB1）在端脑星形胶质细胞中上调，而cAMP相关信号分子（如ADCY1、ADCY8）和钙通道（ITPR1）在丘脑星形胶质细胞中上调，提示端脑和间脑星形胶质细胞可能分别特化了不同的神经元-星形胶质细胞通讯和钙/cAMP信号通路。

预测的神经元-星形胶质细胞通讯机制既有共享也有亚型特异性

通过CellPhoneDB分析预测的神经元-星形胶质细胞（N-A）和星形胶质细胞-神经元（A-N）配体-受体（L-R）互作发现，NRXN/NLGN、CNTN、FGF/FGFR和NCAM家族成员是大多数脑区和年龄中最富集的预测N-A和A-N L-R分子。尽管这些L-R对在星形胶质细胞和所有神经元亚型之间是共同的，但对于每个神经元亚型，研究人员发现了与星形胶质细胞独特或近乎独特的L-R和R-L对。许多L-R对在发育时间点和区域间共享，但更多的N-A预测L-R对在发育后期出现。

年龄依赖性星形胶质细胞身份的特化

伪时间分析显示，星形胶质细胞的转录发育轨迹与实际年龄和成熟度注释一致。星形胶质细胞区域印记并非简单地由不同大脑结构间细胞出生时间相对差异驱动。年龄差异表达基因（aDEGs）分析表明，每个脑区内有大量独特的aDEGs，其中最大部分的aDEGs区分GD135/新生儿与7月龄及更晚的星形胶质细胞。丘脑星形胶质细胞具有比其他区域更多的独特aDEGs，反映了端脑和间脑之间显著的区域异质性。

小鼠和狨猴星形胶质细胞模式的保守性和发散性

跨物种整合分析揭示了星形胶质细胞区域模式在 broad cephalic domains（端脑与间脑）水平上的保守性。然而，大多数星形胶质细胞rDEGs和aDEGs在物种间并不共享，且物种间共享的rDEGs比例随着发育而下降。直接比较1:1直系同源基因发现，在端脑和间脑星形胶质细胞中分别有数百个物种差异表达基因（sDEGs），这些基因可能反映了灵长类动物星形胶质细胞为适应其独特解剖和生理特征而发生的进化改变。

星形胶质细胞形态和蛋白表达的区域差异

利用扩展显微镜技术，研究人员定量评估了星形胶质细胞形态在不同脑区间的差异。发现丘脑星形胶质细胞比皮层和纹状体星形胶质细胞更小、形态复杂性更低，而纹状体星形胶质细胞比皮层星形胶质细胞具有更小的表面积和表面积体积比。Sholl分析和分形维数进一步证实了丘脑星形胶质细胞的复杂性较低。同时，蛋白水平验证了rDEGs产物（如Glast和Gat3）的表达与snRNA-seq预测一致，并定位于靠近突触的星形胶质细胞突起上。

本研究通过构建跨物种、跨发育时间点、跨脑区的单核转录组图谱，揭示了星形胶质细胞区域异质性的发育规律和进化特征。研究发现星形胶质细胞的区域特化既受胚胎期模式的预先决定，也在出生后响应局部环境线索（如突触形成和神经元活动）而进一步特化。这些发现为理解大脑细胞类型的发育和进化提供了重要见解，并为研究神经系统疾病的细胞基础提供了宝贵资源。该研究产生的数据已成为一个可公开获取的资源，预计将对神经科学领域产生广泛影响。

总之，这项研究不仅提供了关于星形胶质细胞异质性的基本新见解，而且为未来研究神经元-胶质细胞相互作用在健康与疾病中的作用奠定了重要基础。随着对星形胶质细胞多样性及其功能的深入了解，科学家们有望开发出针对胶质细胞的新型治疗策略，为各种脑部疾病的治疗开辟新途径。