单细胞基因组学技术和细胞图谱开创了人类神经生物学的新时代

　　

近日，艾伦脑科学研究所的科学家Ed Lein和曾红葵（Hongkui Zeng）在“The Transmitter”网站上撰文，介绍了单细胞基因组学技术和细胞图谱在神经生物学研究中的应用。

两位作者认为，研究人类大脑真的很难。它的大小约为小鼠大脑的1000倍，细胞和回路极其复杂。在模式生物中取得巨大成功的方法几乎无法在人类大脑中使用，而且样本获取途径也仅限于死后捐赠以及从手术和活检中获得的少量组织。更具挑战性的是，由于遗传和环境因素的影响，人类大脑千差万别，因此很难得出具有普遍意义的结论。

然而，尽管存在这些困难，了解人类大脑仍是当务之急；它是哲学、艺术、科学和工程的源泉。从实际情况来看，许多脑部疾病只在人类身上表现出来。

研究人类大脑需要高度可扩展的技术，这些技术能够以细胞或亚细胞分辨率应用于大量细胞和大块体积，以及具有各种遗传和人口统计学背景的大量人群。这些技术应该能够在不同的层面上对人类大脑进行研究，从基因到细胞、网络和全脑系统，并在这些层面之间进行整合。

在过去的15年里，单细胞基因组技术满足了这一需求，迅速开辟了一个以大脑细胞结构为中心的人类神经生物学全新领域。单个细胞从一组活跃使用的基因中获得了自己的身份和特性。单细胞转录组学方法或多或少地测定单个细胞或细胞核中的整套基因，进而捕捉这些分子指纹。

大型项目，比如美国NIH BRAIN Initiative的细胞普查项目，正在将这些方法应用于整个大脑，以创建全面的脑细胞图谱。第一批小鼠和人类的整个脑细胞图谱几乎同时发表，不过小鼠的图谱更为完整，而且包含空间信息。

作者认为，脑细胞图谱带来了几个重要发现。首先，与其他器官相比，大脑异常复杂，由5,000多种细胞类型组成，其中大多数是神经元细胞，这些细胞在大脑中高度区域化。

通过比较不同物种的细胞图谱，人们知道哺乳动物大脑的整体细胞蓝图在一定粒度水平上是保守的；这意味着我们可以定量地将人类细胞分类与模式生物的分类进行比对，并确定哪些特征是保守的，哪些是物种特异性的。

除了单细胞转录组学之外，其他几种单细胞技术正在为人类脑组织的研究增添更多层次的信息。评估表观基因组学的工具可以检测染色质上的可接近区域、DNA甲基化位点和特定染色质相关蛋白（如转录因子）的结合位点。

空间分辨转录组学工具能够分析细胞的空间分布和组织切片中的基因表达特征。这些空间技术在揭示组织异质性、功能生态位、空间梯度和细胞间相互作用方面具有强大的功能。

最后，越来越多的技术将转录组学与其他方法相结合，例如结合转录组学和表观基因组学的多组学；结合转录组学、形态学和生理学的Patch-seq；以及结合转录组学和轴突投射的MAPseq/BARseq。

作者认为，细胞图谱和单细胞工具已经为大脑疾病提供了线索。例如，在他们的西雅图阿尔茨海默病脑细胞图谱项目中，他们研究了一组死后大脑标本，涵盖了阿尔茨海默病的各个病理范围。他们发现某些类型的神经元在疾病的早期阶段是选择性脆弱的。

同样，在亨廷顿病的脑组织中，人们将单细胞转录组学与CAG重复序列长度的测定相结合，揭示了细胞类型特异性的CAG重复序列扩增与明显的基因表达变化相关，这是神经退行性变的潜在原因。

展望未来，科学家认为我们正在进入一个由新技术和细胞图谱促成的人类神经生物学新时代。不过在充分利用这些技术和知识方面仍然存在一些障碍，最明显的是需要更多的大脑捐赠并改进大脑的制备、保存和分配。

他们预测这些图谱将在10年内成为日常神经科学研究的一部分，并证明它们将有助于研究人类大脑的结构和功能以及分析大脑疾病的细胞、分子和回路基础，这有望催生新的治疗方法。