科学:揭示羊膜动物大脑中神经元类型的分子多样性和进化

来源：100医疗网原创2022-09-13 11:02

利用比较单细胞转录组学，这些作者在蜥蜴和哺乳动物的大脑中发现了一组具有高度转录组相似性的核心神经元类型，尽管这两个物种独立进化了3.2亿年。

在3.2亿年前的二叠纪开始之前，脊椎动物的进化出现了一个重要的转折点：早期的四足动物从水中过渡到陆地，出现了羊膜。此后不久，它们分化成蜥脚类动物(未来的爬行动物和鸟类)和单孔类动物(未来的哺乳动物)。尽管有这种分支历史，但所有四足动物的大脑都有相同的祖先结构，这是由大脑区域(大脑皮层、皮层下区域、丘脑和小脑等)定义的。)在胚胎发育和它们的远距离连接时建立的。然而，目前还不清楚这种共同结构的变化是如何促进谱系和物种特异性适应的。例如，一个常见的假设是，皮质下区域是古老的，并且是深度保守的，而哺乳动物的皮质是新的，是在这个谱系的皮质发育发生深刻变化后形成的。

然而，大脑区域并不是孤立运行的，这表明相互连接的神经元的进化可能是相关的。类似地，爬行动物和哺乳动物中起源于共同祖先结构的区域，如大脑皮层，可能在每个谱系中都以这样的方式进化，即它们现在都包含古老的(因此也是共同的)和新的神经元类型。由于传统发展区域和投影的比较可能不足以揭示这些异同，来自德国马克斯普朗克大脑研究所的研究人员在一项新的研究中利用细胞转录组的方法研究了这些问题。相关研究成果发表在2022年9月2日的《科学》杂志上，题目是《羊膜脑中的分子多样性和神经类型的进化》。

它是大脑中最多样的细胞类型；它们的进化多样性反映了产生它们的发展过程中的变化，这反过来也可能驱动它们所属的神经回路的变化。在某种程度上，神经元的转录组代表了其身份、连接性、发育和进化史的分子密码。因此，比较不同物种神经元的转录组应该会产生关于大脑进化的新见解。为了阐明不同脑区神经元多样性的进化，这些作者构建了一种爬行动物——澳大利亚鬃毛狮蜥(Pogona vitticeps)的脑细胞类型图，并将其与现有的小鼠大脑数据集进行比较。

这些作者分析了鬃毛狮蜥大脑的285，483个单细胞转录组，并识别和注释了233种不同类型的神经元。该数据集与已发表的小鼠数据的计算整合表明，蜥蜴和小鼠的神经元根据其区域和神经递质的特征聚集在一起。这些整合的神经元簇表达发育转录因子(包括同源结构域类型)和参与神经元连接(细胞连接、突触信号传导、神经元投射、突触传递)的基因的独特组合，表明发育起源和回路分配决定了羊膜动物脑中广泛的进化保守的神经元类别。

在更详细的水平上，这些广泛的神经元类别包括那些具有广泛跨物种转录组变化的神经元。一些神经元类型可能很容易从蜥蜴映射到小鼠，这表明转录组的高度相似性；然而，由于转录组的差异，其他神经元无法跨物种清晰地映射。这种二分法适用于所有被分析的区域(端脑、间脑和中脑)，表明神经元的多样性在这些脑区是普遍的。

不同羊膜动物神经元进化的转录组学研究。图片来自Science，2022，doi :10.1126/Science . ABP 8202。

这在丘脑中尤其明显，其中跨物种具有高转录组相似性的神经元(-氨基丁酸能丘脑的网状核，谷氨酸能的内侧丘脑)与具有不同基因表达的神经元类型(谷氨酸能的外侧丘脑)并列。在外侧丘脑中，蜥蜴和小鼠的感觉中继核中的神经元没有根据感觉类型聚集在一起，这表明这些神经元可能已经广泛多样化，反映了它们在爬行动物和哺乳动物谱系中皮质伴侣的不同命运。

总之，利用比较单细胞转录组学，这些作者在蜥蜴和哺乳动物的大脑中确定了一组具有高度转录组相似性的核心神经元类型，尽管这两个物种独立进化了3.2亿年。这些类型的神经元并不局限于皮层下区域，而是可以在大脑的任何地方(包括大脑皮层)找到，这挑战了一些大脑区域比其他区域更古老的说法。他们的数据表明，即使大脑由古老和共享的分子决定簇定义的发育模块组成，大脑的进化也通过保持或多样化神经元类型(如丘脑网状核和内侧丘脑)以与局部和远程连接相关的方式作用于每个发育模块。(100yiyao.com 100医疗网)

参考资料：

羊膜动物大脑中神经元类型的分子多样性和进化。科学，2022，doi :10.1126/science . ABP 8202

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