自然:绘制人类大脑器官发育的多组学图谱

来源：生物世界2022-10-24 17:39

这些数据揭示了多模式单细胞基因组和类器官技术在理解人类大脑发育的基因调控程序方面的非凡潜力。这项研究为如何利用人类模型系统和单细胞技术重建人类发育生物学提供了一个框架。

众所周知，每种动物都有自己的大脑，但人脑是独一无二的。它赋予了人类思维、说话、感知等一系列行为，控制着一个个体一生所想所做的一切。人脑被认为是生命科学中最复杂的器官。至今，仍有太多长期未解之谜。

在过去的研究中，科学家通过研究动物大脑取得了一些进展；不幸的是，这些发现不能直接应用到人类身上。因为人脑具有不同于其他物种的独特特征。此外，最近的细胞图谱已经以高分辨率描述了小鼠和人类正在发育的脑细胞的组成。然而，由于在生命的最早期阶段难以获得脑组织，并且缺乏系统操纵基因功能的方法，因此研究控制人脑发育的机制一直是一大挑战。

2022年10月5日，瑞士苏黎世罗氏制药的Barbara Treutlein博士、何博士和J. Gray Camp博士领导的研究团队在《自然》杂志上发表了一篇题为《削弱和扰乱人脑组织中的细胞命运调节体》的研究论文。

本研究建立了人类脑器官发育的多组学图谱，首次证明转录因子GLI3参与了人类前脑模式的形成。这项研究为如何利用人类模型系统和单细胞技术重建人类发育生物学提供了一个框架。

近年来，利用人类在受控的培养环境中产生复杂的脑类器官，为理解人脑发育机制开辟了新的途径。大脑或非定向神经器官可以从胚胎干细胞或诱导多能干细胞发育成三维神经上皮细胞。这些细胞可以自我建模，区域化，并最终在不同的大脑区域形成神经元。

目前，大脑器官已被成功用于模拟小头症、自闭症和其他神经发育障碍。然而，在正常和干扰条件下协调人脑早期发育的基因调控网络仍然未知。

在这项新的研究中，该团队生成了单细胞转录组和染色质分析数据，这些数据可用于人类大脑器官发育过程中的单细胞。该数据集来自3个人类iPS细胞系和1个胚胎干细胞系的11个时间点，涵盖了2个月的发育过程，包括胚状体形成、神经外胚层诱导、神经上皮化、神经祖细胞模式和神经发生。利用这些数据，研究人员建立了类脑器官发育的多组学图谱，揭示了命运决定的发育水平和关键阶段，以及类脑器官中每个细胞的分子指纹。

然而，类器官的每个细胞中有2万多个基因，每个类器官由成千上万个细胞组成。因此产生了一个巨大的矩阵。

为了分析所有这些海量多维数据并预测基因调控机制，研究人员开发了一个框架程序Pando，该程序将组学数据与转录因子结合位点的预测相结合，以推断描述类器官发育的整个基因调控网络。

利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，研究人员选择性地关闭了每个细胞中的某个基因，整个类器官体中共有24个基因同时被关闭。这使得他们能够观察特定基因在大脑发育中的作用。

研究人员表示，这种方法可用于筛选与疾病相关的基因，并观察这种基因对器官不同细胞发育的影响。

为了测试他们的理论，研究人员将注意力集中在转录因子GLI3上。GLI3是小鼠皮质发育的调节因子，该基因的突变可导致小鼠中枢神经系统的畸形。在过去，GLI3在人类神经发育中的作用尚未被探索，但已知该基因的突变会导致Greig's多指综合征和Pallister Hall综合征等疾病。

为了证实GLI3参与人类环境中细胞命运的建立，并检验潜在的发育机制，研究人员通过CRISPR-Cas9基因编辑建立了GLI3敲除iPS细胞系和对照野生型细胞系，并产生了两个独立的脑器官，从而验证了GLI3在人类背侧脑细胞命运中的关键作用，并进一步确定了胸膜神经节隆起(MGE)和侧/尾神经节隆起(LGE/CGE)。gli 3的缺失将影响器官样的进一步发育。

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论文通讯作者Barbara Treutlein表示，这项研究首次证明了 GLI3 基因参与了人类前脑模式的形成，而这以前只在小鼠中发现过。这项研究可以让你使用来自多个单细胞的全基因组数据推测单个基因所发挥的作用；而且，这些在培养皿中的模型系统确实反映了 GLI3 在小鼠发育生物学中的作用。

在荧光显微镜下来自人干细胞的大脑类器官：GLI3 （紫色）标记前脑区域的神经元（绿色）前体细胞

该团队还发现了培养基是如何以自组织的方式形成组织的，其结构在形态学以及基因调控和模式形成的层面上都与人脑的结构相当。Barbara Treutlein表示，像这样的类器官确实是研究人类发育生物学的一种极好的方法。

这些由人类细胞材料组成的类器官研究还有一个优点，就是它可以转化到人类身上，不仅可以用于研究基础发育生物学，还可以用于研究基因在疾病或发育性脑部疾病中的作用。例如，该团队正在通过这种类器官研究自闭症和脑室周围异位的遗传原因。此外，类器官还可以用于药物测试和培养可移植器官的组成部分。

总之，这些数据揭示了多模式单细胞基因组和类器官技术在了解人脑发育的基因调控程序方面的非凡潜力。该研究为如何利用人体模型系统和单细胞技术重建人类发育生物学提供了一个框架。

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