猕猴全脑分区转录组图谱：开启灵长类影像转录组学新篇章

2023年3月17日，北京大学心理与认知科学学院、IDG麦戈文脑科学研究所、生命科学联合中心、海南大学生物医学工程学院王征实验室，在《Nature Communications》在线发表题为“Brain-wide and cell-spec...

　　

近日，北京大学IDG麦戈文脑科学研究所、心理与认知科学学院、北大-清华生命科学联合中心、海南大学生物医学工程学院王征实验室，在Nature Communications在线发表题为“Brain-wide and cell-specific transcriptomic insights into MRI-derived cortical morphology in macaque monkeys”的研究论文，报道了完整地覆盖食蟹猴全脑各个分区的转录组图谱，并以此结合猕猴磁共振脑影像大数据，开展猕猴大脑皮层解剖结构特征的基因表达分析，鉴定了1005个与大脑皮层厚度紧密相关的基因集，进而使用猕猴视皮层的单细胞测序数据注释了相应的细胞亚型和功能通路。

图1 构建覆盖猕猴全脑的精细分区转录组图谱

近年来随着基因组学测序技术的突飞猛进，影像遗传学（imaging genetics）、影像基因组学（imaging genomics）乃至影像转录组学（imaging transcriptomics）又重新点燃了研究者的兴趣，其中最具影响力的工作是美国艾伦脑科学研究所发布的一个融合大脑基因表达的多模态人脑图谱——Allen Human Brain Atlas(Hawrylycz et al., 2012)。但是，备受瞩目的非人灵长类模式动物迄今都缺乏与人类脑图谱相对应的数据，成为了掣肘领域发展的瓶颈。王征实验室前期收集了162只食蟹猴的高分辨磁共振影像数据并构建了全脑分区解剖图谱——Cyno162(Lv et al., 2021)。根据此图谱，研究团队在9只食蟹猴上收集了来自全脑110个脑区的近900个样本进行深度测序（～15G），构建了完整的全脑分区转录组图谱（图1）。

拥有这个详尽的猕猴全脑基因表达数据图谱，研究人员可自由选取任意感兴趣的基因查看其在全脑的表达水平，如血清素相关的基因HTR1B、HTR2C等（图2）。

图2 血清素相关基因在皮层和皮层下脑区的表达情况

随后，研究团队系统分析了猕猴全脑各分区的差异表达基因（differential expression gene，DEG）和差异外显子使用（differential exon usage，DEU）基因模式，发现了皮层下核团与皮层差异显著，这与人类大脑上的发现相似。在灵长类研究中，参与高级认知功能且高度分化的额叶脑区的基因表达一直是研究热点，但苦于缺少高密度采样的测序数据而进展缓慢。通过全脑的加权基因共表达网络分析和模块分析，我们在额叶区域内发现了从背外侧到腹内侧的基因表达梯度模式，在背侧表达较多的基因集中还包含了多个髓鞘化相关的基因（CNP, FA2H, PLP1, MYRF, UGT8, MAG, MBP等）。令人惊讶的是在全脑皮层内，位于枕叶的初级视觉皮层（而不是前额叶皮层）与其它脑区相比表达差异最大，这也驱使我们在初级视觉皮层展开了单细胞水平的转录组测序。

研究团队进一步整合猕猴转录组学和磁共振脑影像大数据，开展影像转录组学研究：在全脑范围探索基因表达与影像表型之间的关联（图3）。此前来自多个大规模人类大脑影像数据集的全基因组关联荟萃分析已经发现，不同基因在全脑协同调控决定了大脑皮层区域的发育成熟，比如皮层厚度和表面积等。实验结果鉴定了一组与猕猴皮层厚度表达关联的基因，其中971个蛋白编码基因，34个非编码基因。根据研究人员采集的视皮层单细胞测序数据进行的细胞类型分析，结果显示这1005个基因显著富集于神经元和少突胶质细胞。

值得强调的是，王征实验室这项历时数年的工作不仅为非人灵长类脑科学研究提供了独特的资源，更为未来灵长类疾病模型研究提供了重要依据(Cai et al., 2020; Qin et al., 2021)，比如对特定脑区进行病毒介导的基因操作(Yan et al., 2022)或光遗传调控等。后续将猴脑转录组学图谱与人脑转录组图谱数据相结合，可望开启跨物种进化奥秘的探索，这与基于磁共振影像学的环路比较相辅相成(Zhan et al., 2021)，为解析人类大脑结构和功能遗传基础开辟了新的道路。

图3 猕猴全脑影像转录组学联合分析与皮层厚度相关的基因集

上海交通大学医学院附属瑞金医院脑病中心薄婷婷博士（从王征实验室毕业）和中国科学院上海营养与健康研究所李杰博士为该文共同第一作者，北京化工大学生命科学与技术学院秦蒙副教授、哈尔滨工程大学智能科学与工程学院姚晓辉副教授及实验室多位成员参与完成此项目，王征与中国科学院王光中研究员、河南省人民医院放射科王梅云主任共同为本文的通讯作者。本课题得到了科技部科技创新2030—“脑科学与类脑研究”，国家自然科学基金委，中国科学院，上海市，广东省及北大-清华生命科学联合中心的资助。本项目的转录组数据可自由共享给感兴趣的同行研究者。

参考文献：

Cai, D.C., et al. (2020). MECP2 Duplication Causes Aberrant GABA Pathways, Circuits and Behaviors in Transgenic Monkeys: Neural Mappings to Patients with Autism. J Neurosci40, 3799-3814.

Hawrylycz, M.J., et al. (2012). An anatomically comprehensive atlas of the adult human brain transcriptome. Nature489, 391-399.

Lv, Q.M, et al. (2021). Normative Analysis of Individual Brain Differences Based on a Population MRI-Based Atlas of Cynomolgus Macaques. Cerebral Cortex 31, 341-355.

Qin, D.D., et al. (2021). Depletion of giant ANK2 in monkeys causes drastic brain volume loss. Cell Discov7, 113.

Yan, M.C., et al. (2022). Mapping brain-wide excitatory projectome of primate prefrontal cortex at submicron resolution and comparison with diffusion tractography. eLife11: e72534.

Zhan, Y.F.,et al. (2021). Diagnostic Classification for Human Autism and Obsessive-Compulsive Disorder Based on Machine Learning From a Primate Genetic Model. Am J Psychiatry178, 65-76.