丘脑 NRXN1 介导的至人类皮层祖细胞的输入驱动兴奋性神经发生

《SCIENCE》：Thalamic NRXN1-mediated input to human cortical progenitors drives excitatory neurogenesis

　　

编者摘要

大脑皮层发育（皮层发生）过程中皮层分层形成的机制仍有待完全阐明。Nguyen 等人利用人类皮层-丘脑类器官联合体（assembloid），确定了丘脑神经元来源的外源性输入在皮层发生中的作用。作者提出，丘脑轴突促进了外层放射状胶质细胞的增殖，与未接受丘脑输入的类器官相比，含有丘脑输入的皮层类器官中产生的兴奋性神经元数量增加。他们还提供了证据表明，这一过程由神经连接蛋白1（neurexin 1）介导，这是一种具有基因多态性的细胞黏附分子，与神经发育障碍相关。研究结果表明，外源性输入可能对于人类大脑皮层的正常发育至关重要。——Mattia Maroso

结构化摘要

引言

丘脑皮层传入纤维（TCAs）影响皮层区化、分层特化和成熟，但外源性丘脑输入如何塑造人类皮层神经发生仍有待深入了解。在灵长类动物中，皮层发育包括外放射状胶质细胞（oRG）等扩展的前体细胞群体、早期丘脑神经支配以及延长的上层兴奋性神经发生。由于这些特征在体内难以区分，丘脑信号调节前体细胞行为和皮层细胞命运的具体机制一直不清楚。

研究动机

人类皮层发育为研究TCAs如何影响神经发生提供了绝佳机遇，因为丘脑投射在皮层发生较早阶段即可到达，早于啮齿类动物。在这一时期，人类皮层前体细胞（包括oRG）仍在活跃地塑造皮层扩展和上层神经发生。这种时间上的重叠表明，丘脑输入可能在人类前体细胞行为的调节中发挥直接作用。然而，这些早期发育交互作用在体内难以剖析，即使在动物模型中，切断TCAs也并不总是彻底的。人类干细胞来源的类器官联合体为模拟这些事件提供了可行的平台。该系统能够在有或无丘脑输入的皮层组织之间进行受控比较，并允许在体内难以实施的操作，包括定时融合、轴突连接切断、谱系追踪和靶向基因扰动。

结果

丘脑融合增加了皮层兴奋性神经元的产生，上层富含AT富集序列结合蛋白2（SATB2+）、CUX样同源盒1（CUX1+）和POU3类同源盒2（BRN2+）群体扩增，深层神经元标志物也有适度增加。这些变化伴随早期前体细胞增殖的增加，至第12周时HOPX+ oRG呈比例性减少，提示神经发生输出增强。单细胞核RNA测序确认了上层和深层兴奋性神经元丰度增加，并显示丘脑输入诱导了与神经元成熟、分层特化和兴奋性分化相关的程序，而放射状胶质细胞表现出与神经发生承诺增强一致的标志。

时间性切断实验表明，早期丘脑输入足以维持上层神经发生表型，提示存在一个关键窗口期，在此期间丘脑信号可持续改变皮层发育轨迹。5-乙炔基-2'-脱氧尿苷（EdU）出生标记显示，SATB2+神经元数量增加不能用神经元出生时间提前来解释，支持前体细胞命运行为发生了改变而非时间改变。谱系追踪进一步表明，丘脑输入增加了oRG与兴奋性神经元之间的克隆性配对，表明丘脑传入使oRG偏向兴奋性神经发生。

在机制上，受体-配体分析鉴定了丘脑神经连接蛋白1（NRXN1）和皮层神经黏附蛋白1（NLGN1）作为丘脑皮层-前体细胞物理相互作用的介导因子。超分辨率成像和中孕期中期人类皮层分析表明，NRXN1-NLGN1介导了丘脑传入纤维与外生脑室下区HOPX+ oRG之间的接触。跨细胞追踪显示丘脑神经元向皮层前体细胞（包括oRG）的通讯。丘脑类器官中NRXN1基因缺失减少了与oRG的跨细胞接触和上层神经元产生，但增加了放射状胶质细胞丰度并将放射状胶质细胞基因程序从神经发生成熟方向偏移，确立了丘脑NRXN1作为皮层前体细胞命运介导因子的地位。

结论

本研究揭示了丘脑皮层传入纤维与皮层放射状胶质细胞之间的物理连接如何促进oRG细胞命运特化的转变，为深入探究发育中人类皮层中更广泛的神经元-前体细胞交互作用以及神经发育障碍提供了众多未来方向。

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将丘脑皮层（CX-TH）类器官联合体与皮层-皮层对照（CX-CX）进行比较，以探究发育中外源性丘脑信号对皮层命运特化的影响。

我们发现，丘脑输入足以驱动兴奋性神经发生。该表型部分由丘脑轴突与皮层放射状胶质细胞之间非经典NRXN1介导的相互作用驱动。当类器官联合体在中期神经发生时被切断，上层神经元扩增得以保留，但丘脑NRXN1基因敲除会削弱深层和上层的神经元产生。

摘要

人类大脑皮层通过皮层内部及来自其他脑区（包括丘脑）的协调信号进行发育。然而，丘脑神经元投射如何影响人类皮层早期发育仍有待深入理解。本研究通过将皮层类器官与丘脑类器官融合，探讨丘脑输入如何塑造人类皮层细胞的成熟。利用单细胞核RNA测序和细胞成像技术，我们发现丘脑输入增加了皮层兴奋性神经元的产生。我们鉴定了神经连接蛋白1（NRXN1）作为丘脑轴突与皮层外放射状胶质细胞之间物理接触的介导因子。丘脑NRXN1基因敲除减少了这些接触并削弱了上层兴奋性神经元的产生。这些发现揭示了一种机制，即丘脑输入通过调节人类皮层前体细胞并在发育过程中塑造兴奋性神经元的产生来发挥作用。