來源：生物世界 2022-10-24 17:39
這些數(shù)據(jù)揭示了多模式單細(xì)胞基因組和類器官技術(shù)在了解人腦發(fā)育的基因調(diào)控程序方面的非凡潛力。該研究為如何利用人體模型系統(tǒng)和單細(xì)胞技術(shù)重建人類發(fā)育生物學(xué)提供了一個框架。
眾所周知，每種動物都有自己的大腦，但人腦是獨(dú)一無二的，它賦予了人類思考、說話、感知和一系列行為，控制著個體一生中所想和所做的一切。人腦被認(rèn)為是生命科學(xué)中最復(fù)雜的器官。因此，到目前為止，依然有太多的長期未解之謎。
在過去的研究中，科學(xué)家們通過研究動物大腦已經(jīng)取得了一些進(jìn)展；但遺憾的是，這些發(fā)現(xiàn)并不能直接轉(zhuǎn)化到人類中。因?yàn)槿四X具有區(qū)別于其他物種的獨(dú)特特征。此外，最近的細(xì)胞圖譜對小鼠和人類發(fā)育中的腦細(xì)胞組成進(jìn)行了高分辨率描述, 但由于難以在生命最早階段獲得腦組織, 以及缺乏系統(tǒng)操縱基因功能的方法, 研究控制人腦發(fā)育的機(jī)制始終是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)。
2022年10月5日，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的 Barbara Treutlein 博士、何志嵩博士和羅氏制藥的 J. Gray Camp 博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在 Nature 上發(fā)表了題為：Inferring and perturbing cell fate regulomes in human brain organoids 的研究論文。
該研究建立了人類大腦類器官發(fā)育的多組學(xué)圖譜，首次證明轉(zhuǎn)錄因子 GLI3 參與了人類前腦模式的形成。該研究為如何利用人體模型系統(tǒng)和單細(xì)胞技術(shù)重建人類發(fā)育生物學(xué)提供了框架。
近年來，利用人類干細(xì)胞在受控培養(yǎng)環(huán)境中生成復(fù)雜的大腦類器官（Brain Organoids）為理解人腦發(fā)育的機(jī)制開辟了新的途徑。大腦或非導(dǎo)向性神經(jīng)類器官可以從胚胎干細(xì)胞或誘導(dǎo)多能干細(xì)胞發(fā)育成三維神經(jīng)上皮細(xì)胞，這些細(xì)胞可以自我模式化、區(qū)域化，并最終形成不同腦區(qū)的神經(jīng)元。
目前，大腦類器官已被成功用于模擬小頭癥、自閉癥等其他神經(jīng)發(fā)育障礙。然而，在正常和干擾條件下協(xié)調(diào)人腦早期發(fā)育的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍是未知的。
在這項(xiàng)新研究中，該團(tuán)隊(duì)生成了人腦類器官發(fā)育過程中的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和單細(xì)胞可獲得的染色質(zhì)分析數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集來自3個人類 iPS 細(xì)胞系和1個胚胎干細(xì)胞系的11個時間點(diǎn)，涵蓋了2個月的發(fā)育過程，包括胚狀體形成、神經(jīng)外胚層誘導(dǎo)、神經(jīng)上皮化、神經(jīng)祖細(xì)胞模式和神經(jīng)發(fā)生。研究人員利用這些數(shù)據(jù)建立了一個大腦類器官發(fā)育的多組學(xué)圖譜，揭示了發(fā)育層次和命運(yùn)決定的關(guān)鍵階段，以及類器官內(nèi)每個細(xì)胞的分子指紋。
然而，類器官中的每個細(xì)胞都有超過20000個基因，而且每個類器官又由數(shù)千個細(xì)胞組成。因此，產(chǎn)生一個巨大的矩陣。
為了分析所有這些海量多維數(shù)據(jù)并預(yù)測基因調(diào)控機(jī)制，研究人員開發(fā)了一個框架程序Pando，它結(jié)合了多組學(xué)數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)的預(yù)測，以推斷描述類器官發(fā)育的整個基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
使用 CRISPR-Cas9 基因編輯技術(shù)，研究人員在每個細(xì)胞中選擇性地關(guān)閉某個基因，整個類器官中共有24個基因被同時關(guān)閉。這使他們觀察到特定基因在大腦發(fā)育中所扮演的角色。
研究人員表示，這種方法可以用于篩選與疾病有關(guān)的基因，以及觀察該基因?qū)ζ鞴賰?nèi)不同細(xì)胞發(fā)育的影響。
為了驗(yàn)證他們的理論，研究人員關(guān)注了轉(zhuǎn)錄因子 GLI3 。GLI3 是小鼠皮層發(fā)育調(diào)節(jié)因子，該基因突變可導(dǎo)致小鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)畸形。過去，GLI3 在人類神經(jīng)發(fā)育中的作用還未被探索，但已知該基因突變會導(dǎo)致 Greig頭多并指綜合征和 Pallister Hall 合征等疾病。
為了確認(rèn) GLI3 在人類環(huán)境中參與細(xì)胞命運(yùn)的建立，以及檢查潛在的發(fā)育機(jī)制，研究人員通過 CRISPR-Cas9 基因編輯建立了 GLI3 敲除 iPS 細(xì)胞系和一個對照的野生型細(xì)胞系，并生成了兩個獨(dú)立的大腦類器官，從而驗(yàn)證了 GLI3 在人類背側(cè)端腦細(xì)胞命運(yùn)中的關(guān)鍵作用，并進(jìn)一步確定了 GLI3 在內(nèi)側(cè)神經(jīng)節(jié)隆起（MGE）和外側(cè)/尾部神經(jīng)節(jié)隆起（LGE/CGE）神經(jīng)元中的貢獻(xiàn)。GLI3 的缺失會影響類器官的進(jìn)一步發(fā)育。
論文通訊作者 Barbara Treutlein 表示，這項(xiàng)研究首次證明了 GLI3 基因參與了人類前腦模式的形成，而這以前只在小鼠中發(fā)現(xiàn)過。這項(xiàng)研究可以讓你使用來自多個單細(xì)胞的全基因組數(shù)據(jù)推測單個基因所發(fā)揮的作用；而且，這些在培養(yǎng)皿中的模型系統(tǒng)確實(shí)反映了 GLI3 在小鼠發(fā)育生物學(xué)中的作用。
在熒光顯微鏡下來自人干細(xì)胞的大腦類器官：GLI3 （紫色）標(biāo)記前腦區(qū)域的神經(jīng)元（綠色）前體細(xì)胞
該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了培養(yǎng)基是如何以自組織的方式形成組織的，其結(jié)構(gòu)在形態(tài)學(xué)以及基因調(diào)控和模式形成的層面上都與人腦的結(jié)構(gòu)相當(dāng)。Barbara Treutlein 表示，像這樣的類器官確實(shí)是研究人類發(fā)育生物學(xué)的一種極好的方法。
這些由人類細(xì)胞材料組成的類器官研究還有一個優(yōu)點(diǎn)，就是它可以轉(zhuǎn)化到人類身上，不僅可以用于研究基礎(chǔ)發(fā)育生物學(xué)，還可以用于研究基因在疾病或發(fā)育性腦部疾病中的作用。例如，該團(tuán)隊(duì)正在通過這種類器官研究自閉癥和腦室周圍異位的遺傳原因。此外，類器官還可以用于藥物測試和培養(yǎng)可移植器官的組成部分。
總之，這些數(shù)據(jù)揭示了多模式單細(xì)胞基因組和類器官技術(shù)在了解人腦發(fā)育的基因調(diào)控程序方面的非凡潛力。該研究為如何利用人體模型系統(tǒng)和單細(xì)胞技術(shù)重建人類發(fā)育生物學(xué)提供了一個框架。
