单细胞RNA测序元分析破译人皮层发育中细胞类型与时间特异性基质组表达特征及其在神经发育障碍中的作用

《Nature Communications》：Deciphering cell-type-and temporally specific matrisome expression signatures in human cortical development and neurodevelopmental disorders via scRNA-seq meta-analysis

本研究针对细胞外基质（ECM）在人类大脑皮层发育中的动态调控机制尚不明确的问题，通过整合6项独立研究的scRNA-seq数据（涵盖妊娠8-26周的37例样本），系统解析了不同细胞类型中基质组基因的时空表达规律。研究发现，17.2%的核心基质组基因与神经发育障碍（NDD）风险相关，并揭示了放射状胶质细胞（tRG）、星形胶质细胞和内皮细胞通过PTN、MK、SEMA6等通路介导细胞间通信的关键作用。该研究为理解ECM在皮层发育及NDD发病机制中的功能提供了高分辨率资源。

　　

人类大脑皮层的发育是一个极其精密的过程，神经前体细胞的增殖、分化与迁移如同交响乐般协调进行，而细胞外基质（ECM）正是这首交响乐的“隐形指挥家”。ECM不仅为细胞提供结构支架，还通过调控信号分子传递，深刻影响着神经元的命运决定与大脑皮层的最终构筑。然而，由于人类胎儿样本获取的伦理和技术限制，ECM在皮层发育中的细胞类型特异性作用及其在神经发育障碍（NDD）中的失调机制始终是领域内的盲区。

为了揭开这一谜题，一项发表于《Nature Communications》的研究通过大规模单细胞RNA测序（scRNA-seq）元分析，首次绘制了人类皮层发育过程中细胞类型与时间特异性的基质组（matrisome）表达图谱。研究人员整合了来自6项独立研究、覆盖妊娠8至26周的37个样本的scRNA-seq数据，构建了一个包含213,659个细胞的整合数据集。通过严格的质控、批次校正和细胞类型注释，系统鉴定了不同神经细胞（如神经干细胞亚型、兴奋性神经元、抑制性神经元）和非神经细胞（如星形胶质细胞、内皮细胞）的基质组基因表达特征。

研究发现，高达17.2%的核心基质组基因是已知的NDD风险基因，且这些基因的表达具有显著的细胞类型和发育时间窗口特异性。例如，内皮细胞中高表达的COL4A1基因与智力障碍（ID）、癫痫（EP）等多种NDD相关，而小胶质细胞特异性表达的SPP1基因则被证实参与大脑发育期的结构完整性维护。进一步分析揭示，在妊娠13-19周（即第二孕早期），基质组基因的表达最为活跃，这一阶段恰好对应皮层神经发生、放射状胶质细胞支架成熟及早期胶质发生的关键事件。基因本体（GO）富集分析表明，该时期星形胶质细胞和神经干细胞中的基质组基因显著富集于轴突发育、神经元迁移等通路。

尤为引人注目的是，细胞间通信（CCI）分析显示，截短型放射状胶质细胞（tRG）、星形胶质细胞和内皮细胞是基质组介导的细胞互作核心枢纽。它们通过PTN-SDC3、MDK-SDC2和SEMA6A-PLXNA4等配体-受体对，分别调控神经前体细胞的存活、突触可塑性及神经元迁移的终止。此外，研究团队还发现LGALS3（编码半乳糖凝集素3）在放射状胶质细胞亚群中特异性高表达，且其表达量与细胞向星形胶质细胞分化的倾向正相关；而传统星形胶质细胞标记物S100B在少突胶质前体细胞（OPC）中显著表达，提示其在胶质细胞谱系分化中可能扮演新角色。

关键技术方法

本研究整合了6项公共数据库中人胎儿皮层scRNA-seq数据（样本来源：苏格兰SAFeR研究及多中心队列），通过Seurat算法进行批次校正和细胞聚类，并采用伪批量（pseudobulk）差异表达分析（DESeq2）鉴定细胞类型特异性基质组基因。细胞通信网络通过CellChat包推断，关键基因的共表达网络由WGCNA构建，并结合免疫荧光染色（人胎儿前额叶皮层组织）验证候选基因蛋白表达。组学数据与表观遗传调控的整合分析依托ChIP-Atlas数据库完成。

研究结果

1. 基质组基因与NDD风险的关联性

交叉引用数据库显示，139个基质组基因与NDD风险相关，其中核心基质组基因的关联比例（17.2%）显著高于基质组相关基因（9.8%）。这些基因在智力障碍（ID）、自闭症谱系障碍（ASD）等疾病中呈现疾病特异性或共享性分布模式。

2. 细胞类型特异性基质组表达签名

内皮细胞和星形胶质细胞分别表达102和100个特异性基质组标记基因，提示它们在ECM重构中的核心作用。神经干细胞亚型（vRG、oRG、tRG）亦呈现独特基质组谱，如vRG高表达RELN、COL1A2等迁移相关基因，而oRG富集SPARCL1、LGI1等突触连接基因。

3. 基质组基因表达的时序动态

第二孕早期（GW13-19）是基质组基因表达最活跃的阶段，星形胶质细胞和成熟兴奋性神经元中富集FBN2、NRG3等形态发生相关基因。少突胶质前体细胞（OPC）和内皮细胞中超过80%的时序调控基因表达上调，如COL4A6、NID1等基底膜组装相关基因。

4. 基质组介导的细胞间通信

tRG、星形胶质细胞和内皮细胞通过PTN、MK和SEMA6通路主导基质组特异的通信网络。PTN-SDC3信号促进星形胶质细胞和tRG的自我调节，而SEMA6A-PLXNA2/4信号则指导神经元迁移终止。

5. 神经与胶质谱系中的基质组特征演化

在神经发生轨迹中，LGALS3在神经干细胞向神经元分化过程中表达显著下降，而在胶质发生轨迹中，S100B在少突胶质前体细胞中高表达。实验验证显示74.8%的OLIG2⁺少突胶质前体细胞共表达S100β，提示其作为人皮层发育中OPC的新标记。

结论与意义

本研究通过构建人皮层发育的高分辨率基质组表达图谱，揭示了ECM在细胞命运决定和NDD发病机制中的时空特异性调控作用。不仅鉴定了tRG、星形胶质细胞等关键细胞类型在基质组通信中的枢纽地位，还发现了LGALS3、S100B等基因在谱系分化中的新功能。这些发现为理解NDD的细胞类型特异性病理机制提供了新视角，并为靶向ECM的干预策略奠定了理论基础。未来结合空间蛋白质组学和糖基化分析，将进一步揭示ECM修饰在皮层发育中的动态调控网络。