光调控干细胞介导环节动物相机眼成年脑可塑性的新机制

《Nature Communications》：Light-modulated stem cells in the camera-type eye of an annelid model for adult brain plasticity

本研究针对无脊椎动物相机眼成年神经发生调控机制不清的问题，通过单细胞转录组测序等技术，发现海洋环节动物Platynereis dumerilii相机眼中存在类似脊椎动物睫状缘区的干细胞区域。研究表明，睫状视蛋白c-opsin1在感光细胞分化早期表达，其介导的光信号调控眼干细胞增殖，且生殖成熟期神经发生显著下降伴随哺乳动物神经干细胞静息态特征分子上调。该工作为无脊椎动物与脊椎动物神经发生机制的进化比较提供了新见解。

　　

在动物进化过程中，相机眼（camera-type eye）的出现被视为趋同进化的经典案例。以往研究多聚焦于头足类与脊椎动物这类具有高级感知能力的类群，然而在脑结构更简单的环节动物等无脊椎动物中同样存在功能完善的相机眼。这类眼睛与神经系统通常具备终身生长能力，但其干细胞调控机制，特别是在成年阶段的动态可塑性，仍知之甚少。海洋环节动物Platynereis dumerilii因其清晰的生殖周期和显著的头部结构可塑性，成为研究神经发生与脑可塑性的理想模型。

为深入探究无脊椎动物神经发生与脑可塑性的细胞与分子基础，研究人员对Platynereis成年头部进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析，涵盖了从非生殖期（未成熟、早熟期）到生殖期（成熟雌性、雄性）四个关键发育阶段。通过整合分析19908个细胞的转录组数据，构建了涵盖22个主要细胞群的头部细胞图谱。利用5-乙炔基-2'-脱氧尿苷（EdU）标记等技术，发现非生殖期动物头部存在活跃的细胞增殖，而生殖期动物增殖活动急剧下降。进一步通过EdU阳性细胞的scRNA-seq分析，鉴定出包括增殖细胞核抗原（pcna）、细胞周期蛋白依赖性激酶1样（cdkl-like）、soxB2以及新发现的Ki-67直系同源物在内的神经发生相关标志物。

研究人员特别关注了成年相机眼中的神经发生过程。研究发现，眼睛的杯状视网膜边缘、毗邻玻璃体/晶状体处存在一个活跃的干细胞区域，其产生的细胞呈放射状排列，与脊椎动物眼中终身生长的睫状缘区（CMZ）高度相似。伪时间轨迹分析显示，该区域的干细胞（眼成年神经干细胞/祖细胞，eye aNSCs/PCs）可分化为表达r-opsin1的眼感光细胞（EPs）以及表达fut10/pofut3的眼支持细胞。脉冲追踪实验证实，增殖细胞位于眼开口处的中心环带，随后沿弧形向外迁移。

令人意外的是，通常在幼虫脑中表达、标记额外眼非视觉感光细胞的睫状视蛋白基因c-opsin1，被发现与r-opsin1在眼感光细胞分化轨迹的过渡阶段共表达。实验表明，环境光照对眼祖细胞的正常增殖至关重要，而这一现象依赖于c-opsin1的完整性。在c-opsin1突变体（c-ops1^48/48）中，光照依赖性增殖效应消失，且眼感光细胞群体出现缺陷。

研究进一步揭示了生殖成熟期神经发生的全局性调控。基因本体（GO）富集分析显示，非生殖期细胞富集于翻译、核糖体过程等活跃增殖相关术语，而生殖期细胞则富集于细胞内信号传导、突触过程等，并上调了与哺乳动物静息态aNSCs相关的标志物，如btg1/2、btg3/4、foxo等。同时，神经发生相关标志物如prox、soxC、par3a在生殖期仍持续甚至上调表达，表明细胞进入一种同时具备神经发生分子特征与静息态特征的独特状态。原位杂交链式反应（HCR）证实了prox与foxo、btg3/4在生殖期动物眼中的共表达。

本研究主要关键技术方法包括：对不同发育阶段的Platynereis头部进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）以构建细胞图谱；使用EdU标记结合荧光激活细胞分选（FACS）技术分离并分析增殖细胞；通过原位杂交链式反应（HCR）进行基因表达的空间定位验证；利用伪时间轨迹分析（Monocle3）推断细胞分化路径；对野生型与c-opsin1突变体进行转录组比较分析。

成年脑神经发生在性成熟过程中受到调控

通过scRNA-seq分析，研究人员构建了成年Platynereis头部的细胞图谱，揭示了从非生殖期到生殖期细胞群的动态变化。EdU标记实验证实，非生殖期动物头部存在高水平的增殖活动，而生殖期动物增殖细胞数量急剧减少。对EdU阳性细胞的转录组分析鉴定出多个神经发生和增殖相关标志物，表明这些细胞具有神经干细胞特性。

成年眼中存在一个睫状缘区样干细胞系统，产生眼光感受器和支持细胞

研究发现，成年相机眼的生长依赖于视网膜边缘的一个干细胞区域。scRNA-seq数据将眼及相关细胞分为三个主要分区：r-opsin1阴性分区（pA，部分为眼支持细胞）、强r-opsin1阳性分区（pB，眼光感受器）以及介于两者之间、表达神经发生标志物（如soxB1, soxB2, prox, notch）的分区（pC，推测为眼aNSCs/PCs）。伪时间分析和EdU标记追踪支持pC细胞向pB和pA1分化的轨迹。该干细胞区域的位置和功能与脊椎动物眼的CMZ相似。

光和睫状视蛋白c-opsin1是r-opsin1阳性感光细胞正常发育所必需的

研究发现c-opsin1在r-opsin1阳性感光细胞分化早期与r-opsin1共表达。光照实验表明，野生型动物在光暗周期（LD）下的眼增殖活动显著高于持续黑暗（DD）条件，而c-opsin1突变体则无此差异。scRNA-seq分析进一步显示，c-opsin1突变体眼光感受器细胞群存在缺陷，表明c-opsin1在光调控感光细胞增殖和/或分化中起关键作用。

生殖成熟强加了一种特殊的细胞状态，结合了神经发生特征和哺乳动物aNSC静息标志物

对非生殖期与生殖期细胞的差异表达基因分析发现，生殖期细胞同时上调了神经发生相关基因（如prox, soxC, par3a）和静息态相关基因（如btg1/2, btg3/4, foxo）。HCR实验证实了prox与foxo、btg3/4在生殖期动物眼中的共表达，甚至在脉冲追踪实验标记的较年轻细胞中也存在此特征。这表明生殖成熟诱导了一种独特的细胞状态，即神经发生潜能被抑制，但部分神经发生分子程序仍保留，同时启动了静息样程序。

本研究首次在无脊椎动物相机眼中鉴定出一个功能与脊椎动物CMZ相似的干细胞区域，并揭示了光通过睫状视蛋白c-opsin1调控其增殖与分化的新机制。同时，研究发现了生殖成熟期神经发生全局性关闭伴随哺乳动物型静息态分子特征的出现，为理解成年神经干细胞可塑性的进化保守性提供了重要证据。该工作不仅拓展了对无脊椎动物神经发生机制的认识，也为比较研究不同动物类群脑与感官器官终身维持与可塑性的调控策略建立了框架。相关成果发表于《Nature Communications》。