Science发表全球首个脑再生时空图谱 | 时空专辑数据库

2022-09-02 572CNGBdb

2022年9月2日,由杭州华大生命科学研究院主导,联合来自3个国家的17个单位的科学家共同组成的研究团队在Science期刊发表了题为 Single-cell Stereo-seq reveals induced progenitor cells involved in axolotl brain regeneration 的研究论文。该研究利用最新研发的时空转录组技术(Stereo-seq)对墨西哥钝口螈端脑再生机制进行了深入的研究。首次绘制了再生模式动物的大脑时空单细胞图谱,并进一步在时空转录组水平描述了端脑再生过程,详细解析了墨西哥钝口螈端脑再生的细胞和分子机制,对理解哺乳动物大脑再生研究具有重要的指导意义。

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该研究通过对所获数据的大规模整合分析,获得了一系列端脑发育与再生的空间转录组图谱(Axolotl Regenerative Telencehpalon Interpretation via Spatiotemporal Transcriptomic Atlas,ARTISTA)。

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ARTISTA是一个空间解析的转录组数据资源,可以在单细胞分辨率上可视化蝾螈端脑再生和发育阶段的基因表达,旨在为蝾螈大脑神经再生的分子事件提供系统的解剖,为进一步的机制研究奠定基础。

基于此专辑数据库,研究人员可以在空间图谱中快速探索他们感兴趣的细胞类型在端脑蝾螈不同再生发育阶段的基因表达谱。用户可通过数据库主页面或导航栏,快速获取此项研究的内容梗概、时空组聚类分析结果、研究技术(Stereo-seq)简介、研究中使用分析软件及产生的数据资源信息,同时还能直接下载研究数据。

期刊:Science
数据编号:CNP0002068 数据库:https://db.cngb.org/stomics/artista/

技术的发展让本研究的推进成为可能,“本研究主要基于华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq进行,其达到了纳米级亚细胞分辨率,结合蝾螈细胞体积大的优势,使得研究人员可以在时空单细胞分辨率上解析蝾螈脑再生这一过程的重要细胞类型,并追踪其细胞谱系变化的空间轨迹。”论文的第一作者、杭州华大生命科学研究院魏小雨博士介绍说。

“蝾螈脑发育及再生时空细胞图谱的构建,对于我们理解脑再生这一重要的生命过程、两栖类动物脑结构以及大脑结构的演化具有重要意义,为我们寻找有效的临床治疗方法,促进人类组织器官自我修复与再生提供了新的方向,也为物种进化研究提供了宝贵的数据资源。”论文的共同通讯作者、华大生命科学研究院院长徐讯表示,“未来,我们还将通过时空多组学技术去探究更多器官、更多物种的发育和再生过程,找到再生过程中的关键调控机制,助力人类再生医学的发展。”

以下是此项研究的主要研究思路及结果,读者可结合ARTISTA快速获取文献概要、研究数据、分析工具、数据可视化分析结果等关键信息。

研究背景

大脑是人体最复杂且最为神秘的器官,在调控运动、感觉以及认知、情感等高级神经活动中发挥核心作用。然而,大脑在遭受由创伤、中风及神经退行性疾病等所引发的神经元损伤后,由于其自我修复能力低下,且缺乏有效的临床治疗手段,大多最终导致大脑功能(部分)丧失。如何在大脑受损后促进其再生修复,从而恢复正常的功能是亟待解决的生物学及医学难题。攻克这一难题的限制因素之一是我们对脑再生机制缺乏足够的理解。

目前大脑损伤再生机制研究大多以哺乳动物为模型,但哺乳动物组织器官,尤其是包括大脑在内的中枢神经系统的再生能力极为有限,大大限制了对脑再生的细胞和分子机制的研究。与高等哺乳动物不同,两栖类模式动物墨西哥钝口螈 (Ambystoma mexicanum) 具有强大的再生能力,能够再生包括脑在内的多种组织器官,其端脑在受损后可以在形态及功能水平上近乎完美的再生。并且蝾螈的端脑在进化上较贴近高等哺乳动物,具有与高等动物较为相似的细胞学构成及解剖学结构,因此墨西哥钝口螈是一种研究脑再生机制的理想动物模型。

研究结果

为了深入研究墨西哥钝口螈端脑再生的细胞和分子机制,并探讨其与发育的关系,研究人员收集了不同损伤再生阶段(7个再生阶段)和发育时期(6个发育时期)的端脑样本。

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利用华大自主研发的Stereo-seq技术,获取了能够覆盖整个端脑切片的空间转录组数据。得益于Stereo-seq技术所具有的单细胞分辨率优势,实现了对蝾螈大脑发育、再生过程中单细胞转录组的原位捕获及分析。

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通过对所获数据的大规模整合分析,获得了一系列端脑发育与再生的空间转录组图谱(交互式数据库网站:https://db.cngb.org/stomics/artista/)。

首先针对脑发育过程的分子细胞动态变化进行分析,通过无偏差聚类分析及细胞类型鉴定,研究人员在发育时期的样本中共鉴别出33种端脑细胞类型,并阐述了它们在不同发育时期端脑的动态分布特点。其中需要特别指出的是具有干细胞属性的室管膜胶质细胞(EGC),根据其基因表达特征可以分为四个亚型:dEGC, wntEGC, sfrpEGC和ribEGC。dEGC主要存在于发育早期,并随着发育逐渐减少,到juvenile时期基本消失。但分布在室管膜的不同区域的另外三个亚型从stage54开始出现后,持续存在于成体阶段;进一步的GO分析显示它们分别处于不同的状态,可能与其在大脑稳态维持中各自不同的功能直接相关。

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为了明确脑再生的分子细胞学机制,进一步对脑再生过程中的细胞及分子动态变化展开研究。在端脑多个再生阶段样本中共鉴别出28种细胞类型。通过与发育及再生时期出现的神经元进行比较分析,发现在损伤早期的创口附近存在一群与发育中神经发生高度相似的非成熟神经元。根据其所处位置及基因表达特点,表明是损伤再生信号诱导了神经元的命运重编程——从成熟的神经元转换为不成熟状态,这一转换可能更加有利于为之后的新生神经元提供良好的神经环路整合条件。更值得注意的是,研究人员在再生阶段的细胞类型中,鉴定出了一种再生特异的室管膜胶质细胞亚型reaEGC。reaEGC与发育过程中所鉴定的其他EGC细胞类型均不同,但是与发育最早期出现的dEGC亚型在基因表达指纹上最为相似。分析表明它们是伤口附近存在的EGC细胞亚型,被损伤再生特异性反应激活并发生命运重编,转换为类似于胚胎发育早期的状态,进一步进行快速增殖并覆盖伤口。利用Stereo-seq的技术优势,在空间原位上对脑再生关键时间点(损伤后15天)进行细胞谱系动态分析,表明reaEGC可能通过生成中间前体细胞,非成熟神经元进而转换为成熟神经元的过程来补充丢失的神经元,实现大脑再生。

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基于以上的发现,最后,研究人员比较了脑发育与脑再生的相关性。通过分析端脑发育及再生过程中相关细胞类型的状态、空间分布,并结合神经发生及再生过程中细胞谱系关系与基因动态表达变化,表明蝾螈端脑再生与发育过程具有高度的相似性,揭示端脑再生在一定程度上是其发育过程的重启。该研究首次获得了单细胞水平上的蝾螈端脑发育和再生的空间转录组数据,鉴定了端脑损伤再生过程中的关键细胞类型和分子特征,并明确了脑再生和发育的本质相关性。基于此研究的进一步工作,可能为改善哺乳动物大脑有限的再生能力提供新的思路。此外,蝾螈作为进化关键节点的脊椎动物,其脑单细胞空间图谱还可为研究脊椎动物脑的发育,再生和进化提供重要的数据。

本次研究由杭州华大生命科学研究院主导,联合深圳华大生命科学研究院、青岛华大基因研究院、广东省人民医院、华南师范大学、武汉大学、中国科学院大学生命科学学院、深圳湾实验室、美国Whitehead生物医学研究所、丹麦哥本哈根大学等来自中国、美国、丹麦3个国家的17家单位共同合作完成。研究已通过伦理审查,严格遵循相应法规和伦理准则。实验使用的墨西哥钝口螈为实验室培养而来。

参考文献:https://doi.org/10.1126/science.abp9444
信息来源:“华大集团BGI”和“BioArt”公众号

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