人类与猕猴前额叶皮层发育的单细胞时空转录组与染色质可及性图谱揭示认知进化与神经精神疾病易感性机制

《Nature Neuroscience》：Single-cell spatiotemporal transcriptomic and chromatin accessibility profiling in developing postnatal human and macaque prefrontal cortex

本研究通过构建人类与猕猴出生后前额叶皮层（PFC）的单细胞多组学时空图谱，揭示了人类PFC发育延长的关键窗口期（如突触发生高峰在婴儿期、修剪高峰在学前期），发现胶质祖细胞（APC）在人类具有更强增殖能力，并鉴定出MEF2C等转录因子调控的人类特异性神经元亚型分化及与精神疾病风险基因的细胞类型特异性富集，为理解人类高级认知功能进化和神经发育障碍病因提供了关键分子基础。

　　

人类大脑前额叶皮层（Prefrontal Cortex, PFC）是执行高级认知功能的关键脑区，其发育异常与多种神经精神疾病密切相关。相较于非人灵长类动物，人类PFC的发育过程更为漫长复杂，但调控这一过程的细胞和分子机制尚不清晰。特别是在出生后阶段，PFC如何逐步成熟以支持语言习得、执行功能等特有认知能力，以及人类特异性的发育特征如何增加对自闭症谱系障碍（ASD）、精神分裂症等疾病的易感性，是神经科学领域的核心问题。

为解决上述问题，张耀等研究人员在《Nature Neuroscience》上发表了最新研究成果。他们整合了单核RNA测序（snRNA-seq）、单核ATAC测序（snATAC-seq）和单细胞空间转录组（scSpatial）技术，构建了涵盖人类从孕16周（GW16）至25岁（Y25）以及猕猴从胚胎期90天（E90）至4岁（Y4）的87个PFC样本的多组学图谱。通过比较分析，系统描绘了人类与猕猴PFC出生后发育的细胞动态变化、基因表达调控网络和空间分布特征。

研究主要技术方法包括：利用10x Genomics平台进行单核RNA测序和单核ATAC测序，对人类和猕猴PFC样本进行细胞分群和基因表达/染色质可及性分析；采用10x Xenium原位技术对469个细胞标记基因进行空间定位；整合多组学数据构建细胞发育轨迹；使用CellChat分析细胞间通讯网络；结合免疫荧光染色验证关键发现。人类PFC样本来自癫痫手术切除的脑组织，经病理确认结构正常区域。

物种间PFC发育时序比较

研究人员首先通过转录组年龄比对发现，人类PFC在出生时成熟度低于猕猴，且整体转录组年龄显示人类童年期极大延长——猕猴2岁和4岁的PFC转录组特征分别对应人类18岁水平。这表明人类PFC存在显著的发育延长期，为环境经验依赖的神经环路精细化提供了更长时间窗口。

细胞类型多样性及物种特异性

研究鉴定了24种主要细胞类型，包括兴奋性神经元（ExN）、抑制性神经元（InN）、少突胶质细胞前体细胞（OPC）、新生少突胶质细胞（NOL）、成熟少突胶质细胞（MOL）、星形胶质细胞等。人类特异性差异表达基因（DEG）比例最高的是ExN L5PT（41.2%），最低的是InN SST（29.1%）。这些基因富集于学习、记忆等高级认知功能相关通路。

发育轨迹关键窗口

基因模块分析揭示了人类PFC发育的关键时间窗口：突触发生高峰在婴儿期（Window I, 0-1岁），突触修剪高峰在学前期（Window III, 4-5岁），细胞死亡相关基因表达在幼儿期（Window II, 1-3岁）达到峰值。神经活动相关基因（如ARC、NR4A1、NPAS4）表达在人类儿童期（Windows III-IV, 4-11岁）达到高峰，主要富集在L2-4层神经元。

神经元亚型空间特化

研究将神经元进一步分为94个亚群（43个ExN亚群和51个InN亚群），发现人类特有的ExN L2IT CUX2 CHN2亚型表达与细胞迁移相关基因。空间转录组显示不同层状神经元具有亚层定位偏好，如L2/3IT PDGFD GLP2R和L2/3IT COL5A2 VSNL1分别主要定位于L2和L3层。人类富集的神经元亚型（如L5IT ETV1 PVRL3、L6IT OPRK1 PDE3A等）与学习记忆功能相关。

突触发育物种差异

免疫荧光分析显示，人类PFC中突触前蛋白VAMP2和突触后蛋白PSD95密度分别比猕猴高4倍和2.5倍，且在人类儿童期（1-5岁）显著下降，提示突触修剪程度更大。神经递质受体表达分析发现，人类PFC神经元中胆碱能和多巴胺受体（特别是D1类受体DRD1、DRD5）表达更高，而组胺受体HRH1在人类L4/L5/L6层高表达。

胶质细胞与神经元协同发育

星形胶质细胞发育基因在人类幼儿期（Window II, 1-3岁）达峰，而猕猴在胚胎期已达峰值。人类PFC中星形胶质细胞比例（15.06%）显著高于猕猴（6.48%），其中星形胶质祖细胞（APC）占8.73%。CD44+ APC-2细胞具有增殖能力，与纤维性星形胶质细胞生成相关。细胞通讯分析发现，星形胶质细胞与神经元通过MEGF10和MERTK通路介导突触修剪，峰值在Window II（1-3岁）。

少突胶质细胞发育与髓鞘形成

少突胶质细胞谱系分析显示，人类OPC向MOL的分化轨迹持续到成年期，MBP（髓鞘碱性蛋白）表达在人类18岁后仍持续增加。人类OPC中细胞增殖促进基因（THSD7A、PDZD2、MYO6）高表达，支持其延长的增殖能力。

转录因子调控与疾病关联

整合snRNA-seq和snATAC-seq数据发现，CUT家族转录因子（CUX1、CUX2）在人类ExN L2-4层富集，Fork家族（FOXP1、FOXP2）在L4/5层富集。这些TF的靶基因参与轴突发育、树突形成等过程。体外实验证实，敲低CUX1、CUX2、FOXP1或FOXP2会导致人类皮层神经元树突复杂性降低。疾病风险基因富集分析显示，ASD风险基因在ExN L4、InN PV神经元和星形胶质细胞中富集，精神分裂症风险基因在ExN L2/L3、InN SST神经元中富集。

本研究通过构建人类与猕猴PFC发育的高分辨率多组学图谱，揭示了人类特异性PFC延长成熟的细胞和分子基础：包括神经元亚型多样性、突触发育与修剪的时间窗口延后、胶质细胞持续增殖能力以及特化的转录调控网络。这些发现不仅阐明了人类高级认知功能发展的生物学基础，也为理解神经精神疾病的细胞类型特异性易感机制提供了重要线索。该研究建立的资源平台将为后续脑发育研究和疾病机制解析提供宝贵数据支持。