单细胞空间技术探秘动物世界连载[1]：从奇妙的蝾螈看神经再生

啮齿类动物、果蝇、蝾螈，这些都是研究人员常用的一些模式生物，但你可能更熟悉最后一种，比如墨西哥蝾螈（axolotl）。这种动物很有趣，让我们一起深入了解一下它：

墨西哥蝾螈是两栖动物，但它们从未经历变态发育，一生都在水中生活
它们的四肢都能够再生，包括骨头和肉

墨西哥蝾螈甚至能够再生脑组织，以恢复神经系统的损伤！

了解生物体如何再生中枢神经系统，可帮助我们确定其中的机制，以便在人类身上实现，但尽管墨西哥蝾螈是一种神奇的两栖动物，但它们的大脑单细胞分析已经落后于其他脊椎动物模式生物。在这篇文章中，我们将重点介绍奥地利维也纳生物中心和瑞士苏黎世联邦理工学院的科学家近期开展的工作(1)。利用我们的Chromium单细胞多组学ATAC + 基因表达和Visium空间基因表达分析，他们不仅改变了这一现状，还仔细观察了墨西哥蝾螈端脑中的神经发生和大脑再生。

墨西哥蝾螈的图谱分析

在哺乳动物中，端脑是由“高级功能”脑区组成的，比如大脑皮层、海马体和杏仁核等。尽管墨西哥蝾螈的大脑缺乏这些结构，但研究人员分析了三个主要区域的基因表达和染色质可及性——端脑的背侧、外侧和内侧。

利用基于Chromium的多组学方法，他们能够从同一细胞核中生成基因表达和染色质可及性图谱。他们从这些数据中鉴定出95个不同的细胞簇——包括少突胶质细胞、小胶质细胞、室管膜胶质细胞、内皮细胞、神经母细胞、谷氨酸能神经元和GABA能神经元——它们的比例表现出区域依赖性。

为了更好地定义单细胞图谱，研究团队接下来重点研究了谷氨酸能神经元的多样性（超过29种不同的亚型）。此外，由于之前的研究确定了两栖动物内侧大脑皮层与哺乳动物海马体之间具有同源性(2)，他们决定将墨西哥蝾螈的单细胞核转录图谱与小鼠的图谱进行比较。

他们发现墨西哥蝾螈的多个谷氨酸能神经元簇与小鼠海马亚区中的神经元相似。因此，为了尝试绘制类似于海马亚区的图谱，他们接着采用Visium空间基因表达生成墨西哥蝾螈端脑的转录组图谱。尽管这种方法显示了这些“类似于海马的”谷氨酸能神经元亚型定位在端脑内侧，但这些细胞的空间位置并没有形成界限清晰的亚区。

恢复大脑的形态和功能

墨西哥蝾螈最让人感兴趣的能力之一是它不仅能够再生它的四肢，还能再生它的大脑——其机制可以帮助我们更好地了解我们自身为何无法从中枢神经系统损伤中恢复。为了研究神经再生的细胞景观，研究人员使用了Div-Seq技术(3)，这种技术采用EdU（一种可与荧光分子结合的胸苷类似物）对分裂的细胞进行标记和FACS分选，然后对分选的细胞进行单细胞核RNA测序（snRNA-seq）。

研究团队首先将墨西哥蝾螈的大脑切成小块（1 mm²），然后对损伤后2天至12周的细胞进行EdU标记和收集，并通过Div-Seq分析增殖细胞。有趣的是，尽管主要细胞类型在各个时间点都能检测到，但在整个再生过程中这些细胞的比例都是不同的。在早期（约1周）的EdU阳性细胞中，室管膜胶质细胞占了大多数，但在2-4周时神经母细胞占多数，而在6周后，谷氨酸能和GABA能神经元占了大多数。

尽管神经损伤后和正常条件下的神经发生在转录和转录因子图谱上有高度的相似性，但研究人员检查了EdU阳性细胞的时间进程，以了解是否存在“损伤”特征。他们发现，在损伤后1-2周出现了三个不同的细胞簇，它们在损伤后的后期阶段或“正常的”神经发生中是罕见或不存在的。

因此，他们确定墨西哥蝾螈在受损后再生它们的大脑，但主要的问题是，鉴于大脑的回路很复杂，这些新的神经元是否具有功能？为了检验这一点，研究人员向稳态和受损的墨西哥蝾螈大脑中注射了神经生物素（一种神经解剖学示踪剂），并注意到以下现象：

“与未受损的大脑相似，被染色的细胞体位于嗅球、副嗅球和尾部端脑（杏仁核）中，表明来自这些区域的输入投射在再生端脑中重新建立。”

阐明再生的位置、方式和参与者

在这项研究中，这些研究人员不仅能够表征墨西哥蝾螈大脑中的多种细胞类型，还能显示它们在端脑中的位置，并描述它们在损伤后如何改变。这项工作展示了将单细胞图谱分析中的“what”与空间分辨/分子神经解剖学中的“where”相融合的能力，以及这些技术如何快速解锁新见解，即使是那些了解不多的模式生物。

欢迎继续浏览“单细胞空间技术探秘动物世界连载”文章，了解蜘蛛、蜜蜂等非模式生物的酷炫生物学。

单细胞空间技术探秘动物世界连载[2]：揭开蛛丝的秘密

参考文献:

1. Lust K, et al. Single-cell analyses of axolotl telencephalon organization, neurogenesis, and regeneration. Science 377 (2022). doi: 10.1126/science.abp9262

2. Roth G and Westhoff G. Cytoarchitecture and connectivity in the amphibian medial pallium. Eur J Morphol 37: 166–171 (1999). doi: 10.1076/ejom.37.2.166.4759

3. Habib N, et al. Div-Seq: Single-nucleus RNA-seq reveals dynamics of rare adult newborn neurons. Science 353: 925–928 (2016). doi: 10.1126/science.aad7038