整合分子图谱分析揭示驱动人类皮层发育细胞亚型特化的模块

人类大脑发育的研究对理解成人细胞类型、功能及疾病至关重要。为探究细胞亚型特化机制，研究人员整合分析人类皮层单细胞转录组数据。他们发现多个基因共表达网络，明确其在细胞命运特化中的作用。研究成果发表在《Nature Neuroscience》上，为皮层发育机制研究提供新视角1216。

　　

大脑，这个人体最为神秘复杂的 “器官指挥官”，掌管着思维、情感、感知等重要功能。人类大脑发育过程中，细胞类型的多样化生成极为关键，这一过程的异常与多种神经发育和精神疾病的发生紧密相关。然而，现有的研究方法，如依赖标记基因来划分发育中的脑细胞类型，虽然取得了一定成果，但无法全面涵盖发育过程中复杂的基因程序。而且，单一研究难以对整个皮层区域和发育阶段进行全面且充分的样本分析，使得我们对大脑发育的理解存在诸多空白。在这样的背景下，深入探究人类大脑发育机制，揭示细胞亚型特化的奥秘，成为生命科学领域亟待攻克的难题。

为了填补这些知识空白，来自美国加利福尼亚大学洛杉矶分校等机构的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《Nature Neuroscience》上，为我们理解人类大脑发育提供了全新的视角和重要依据。

研究人员采用了多种关键技术方法来开展此项研究。首先，他们收集了大量公开的单细胞转录组数据集，其中发育阶段的数据集包含 7 个，涉及 96 名个体的 599,221 个细胞；成年阶段的数据集有 16 个，涵盖 274 名个体的 260 万个细胞。接着，运用严格的质量控制和整合分析方法处理这些数据，构建了发育和成年人类皮层的 meta - 图谱。在此基础上，通过 meta - 模块分析，挖掘出基因共表达网络，并利用免疫染色、皮质类器官实验以及单细胞多组学分析等技术，深入探究这些网络在细胞命运特化中的作用。

下面来详细看看研究的具体结果：

• 迭代聚类识别 meta - 图谱中的基因网络：研究人员构建的人类皮层发育 meta - 图谱涵盖了多个发育阶段的细胞数据。通过严格的质量控制和共聚类分析，确认了预期的细胞类型和标记基因。随后，运用 meta - 模块分析，从个体数据中识别关键转录组变异，聚合聚类标记基因并进行层次聚类，最终生成了 225 个 meta - 模块。这些模块由在不同个体、数据集和年龄中共同表达的基因组成，且模块内基因表达相关性显著更高，为后续研究奠定了基础34。

• meta - 模块捕获广泛和细胞类型特异性过程：对 meta - 模块进行详细注释后发现，它们涉及多种生物学过程，如突触功能、免疫功能、细胞命运决定和细胞分裂等。通过检验注释准确性，发现具有特定细胞类型功能注释的 meta - 模块在预期细胞类型中更活跃。进一步研究还发现，发育细胞类型由多个模块共同表征，而非单一高度特异性模块56。

• 成人 meta - 图谱突出细胞命运特征动态变化：为探究发育阶段的 meta - 模块对解释成体细胞类型的作用，研究人员构建了成人皮层 meta - 图谱，生成了 299 个 meta - 模块。对比发现，发育细胞类型比成体细胞类型表达更广泛的模块且特异性更高。通过分析模块组成变化，发现成人和发育阶段的模块总体代表独特的基因分组，且成年兴奋性神经元亚型的模块在发育阶段有多种溯源，暗示了转录组在细胞亚型水平的精细化过程78。

• meta - 模块揭示启动细胞命运的基因程序：以 meta - 模块 156 为例，其在祖细胞中活性较高，且在放射状胶质细胞中随着发育活性增强，在成年 meta - 图谱中高度限制于神经胶质亚型。通过免疫染色验证了模块 156 基因在祖细胞中的共定位，表明该模块可能代表从神经发生向胶质发生转变的基因程序，尽管这一结论还需进一步实验验证910。

• meta - 模块揭示细化细胞类型的基因程序：研究发现三个在发育阶段特定兴奋性神经元亚型中活跃的 meta - 模块，即 189、94 和 134。它们在发育过程中活性增加，在成年阶段虽在更广泛细胞类型中活跃，但仍显示出一定的层特异性活性。例如，meta - 模块 134 在成年人类皮层 IV 层富集，在发育阶段的表达模式也暗示了其在 IV 层细胞特化中的作用。另外，meta - 模块 144 在发育阶段主要在表达胆囊收缩素（CCK）的中间神经元亚型中活跃，在成年阶段则在 I 层富集，可能指示 I 层 CCK?中间神经元命运的起始1112。

• meta - 模块 20 与 FEZF2?深层神经元相关：meta - 模块 20 在发育阶段活性持续增加，在深层神经元亚型中最为突出，在成年人类皮层中几乎仅在深层神经元中高表达，且与 FEZF2?深层神经元密切相关。研究还发现，FEZF2 虽不是模块 20 的基因，但几乎一半的模块 20 基因是其潜在靶点，其中 TSHZ3 是模块 20 中唯一的转录因子（TF），其表达动态与 FEZF2 和模块 20 存在关联1314。

• FEZF2、TSHZ3 和模块 20 生成深层神经元：研究人员通过在皮质类器官中进行敲低（KD）实验，发现同时敲低 FEZF2 和 TSHZ3 会减少深层神经元和中间祖细胞（IPCs），增加放射状胶质细胞。进一步的单细胞多组学分析表明，TSHZ3 对模块 20 基因的染色质可及性至关重要，而 FEZF2 可能通过激活 TSHZ3 来促进模块 20 的激活，进而推动深层神经元的特化1517。

综合上述研究，研究人员通过整合分析人类皮层的单细胞转录组数据，构建了发育和成年 meta - 图谱，鉴定出多个 meta - 模块，并深入探究了它们在细胞命运特化中的作用。特别是对 meta - 模块 20 的研究，揭示了 FEZF2、TSHZ3 和模块 20 之间的复杂关系，为理解人类大脑皮层发育过程中深层神经元的特化机制提供了重要线索。这一研究成果不仅为大脑发育领域提供了宝贵的资源，还为后续研究神经发育相关疾病的发病机制和潜在治疗靶点奠定了坚实基础，有望推动神经科学和医学领域的进一步发展。