Nature：人类大脑发育图

苏黎世联邦理工学院的研究人员正在用干细胞培育类似人脑的组织，然后绘制出大脑不同区域的细胞类型和调节它们发育的基因。

　　

   

   

荧光显微镜下来自人类干细胞的脑类器官:GLI3蛋白被染成紫色，标记在类器官的前脑区域的神经元前体细胞。神经元被染成绿色。    

人脑可能是整个生物世界中最复杂的器官，长期以来一直是研究人员着迷的对象。然而，研究大脑，特别是调节和指导大脑发育的基因和分子开关，并非易事。

到目前为止，科学家们已经使用了动物模型，主要是小鼠，但他们的发现不能直接转移到人类身上。小鼠的大脑结构不同，没有人类大脑典型的沟槽表面。到目前为止，细胞培养在这一领域的价值有限，因为当细胞在培养皿中生长时，往往会扩散到大片区域;这并不符合大脑的自然三维结构。

映射的分子指纹

由巴塞尔生物系统科学与工程系的Barbara Treutlein教授领导的一组研究人员现在采用了一种新的方法来研究人脑的发育:他们正在培养和使用类器官——一种毫米大小的三维组织，可以从所谓的多能干细胞中培养出来。

只要这些干细胞得到正确的刺激，研究人员就可以对它们进行编程，使它们变成身体中任何种类的细胞，包括神经元。当干细胞聚集成一个小的组织球，然后暴露在适当的刺激下，它们甚至可以自我组织，形成一个具有复杂组织结构的三维大脑器官。

Treutlein和她的同事们现在已经在不同的时间点和非常详细地研究了一个大脑器官内的数千个单个细胞。他们的目标是用分子遗传学的术语来描述细胞:换句话说，所有基因转录本(转录组)的总数作为基因表达的衡量标准，同时也用基因组的可及性作为调控活性的衡量标准。他们成功地将这些数据表示为一种地图，显示了类器官内每个细胞的分子指纹。

然而，这个过程会产生巨大的数据集:类器官中的每个细胞都有2万个基因，而每个类器官又由数千个细胞组成。“这就形成了一个巨大的矩阵，而我们解决它的唯一方法就是借助合适的程序和机器学习的帮助，”Treutlein团队的博士生、该研究的共同主要作者之一Jonas Fleck解释说。为了分析所有这些数据并预测基因调控机制，研究人员开发了自己的程序。Fleck说:“我们可以用它为每个基因生成一个完整的相互作用网络，并预测当基因失效时在真实细胞中会发生什么。”

识别基因开关

这项研究的目的是系统地识别那些对大脑类器官不同区域的神经元发育有显著影响的基因开关。

在CRISPR-Cas9系统的帮助下，ETH的研究人员选择性地关闭了每个细胞中的一个基因，整个类器官中总共有大约24个基因同时关闭。这使他们能够找出各自的基因在大脑类器官的发育中所起的作用。

“这项技术可以用来筛选与疾病相关的基因。此外，我们可以观察这些基因对类器官内不同细胞发育的影响Sophie Jansen解释说，她也是Treutlein团队的博士生，也是该研究的第二名联合第一作者。

检查前脑的模式形成

为了验证他们的理论，研究人员选择了GLI3基因作为例子。这个基因是同名转录因子的蓝图，转录因子是一种停靠在DNA特定位点上的蛋白质，以调节另一个基因。当GLI3被关闭时，细胞机制就无法读取该基因并将其转录成RNA分子。

在小鼠中，GLI3基因的突变会导致中枢神经系统的畸形。它在人类神经发育中的作用以前没有被探索过，但已知的是，该基因的突变会导致诸如Greig头多并指畸形和Pallister Hall综合征等疾病。

沉默GLI3基因使研究人员既能验证他们的理论预测，又能在细胞培养中直接确定该基因的丢失如何影响大脑类器官的进一步发育。“我们首次证明GLI3基因参与了人类前脑模式的形成。这在以前只在小鼠身上显示过，”Treutlein说。

模型系统反映发育生物学

她解释说:“这项研究令人兴奋的地方在于，它让你可以使用来自这么多单个细胞的全基因组数据，来假设单个基因所起的作用。在我看来，同样令人兴奋的是，这些在培养皿中制作的模型系统确实反映了我们从鼠身上了解到的发育生物学。”

Treutlein还发现了一个有趣的现象，即培养基可以产生与人脑结构相似的自组织组织——不仅是在形态学水平上，而且(正如研究人员在他们最新的研究中所展示的)在基因调控和模式形成的水平上。“像这样的类器官确实是研究人类发育生物学的一种极好的方法，”她指出。

多才多艺的大脑瀑样

对由人体细胞材料构成的类器官的研究有一个优势，那就是研究结果可以转移到人类身上。它们不仅可以用于研究基础发育生物学，还可以用于研究基因在疾病或发育性大脑障碍中的作用。例如，Treutlein和她的同事正在研究这种类型的类器官，以研究自闭症和异位畸形的遗传原因;在后一种情况下，神经元出现在大脑皮层通常的解剖位置之外。

类器官也可用于测试药物，并可能用于培养可移植器官或器官部分。Treutlein证实，制药行业对这些细胞培养非常感兴趣。然而，生长类器官既需要时间又需要努力。此外，每个细胞团都是独立发育的，而不是以标准化的方式发育的。这就是为什么Treutlein和她的团队正在努力改进类器官，并将其制造过程自动化。

Inferring and perturbing cell fate regulomes in human brain organoids