撰文 | 咸姐

哺乳動物的大腦發(fā)育始于神經(jīng)上皮的擴張以產(chǎn)生放射狀膠質細胞（radial glia，RG），這些RG在腦室區(qū)的頂端表面分裂產(chǎn)生神經(jīng)元和中間祖細胞（intermediate progenitor cell，IPC），其中IPC存在于鄰近的腦室下區(qū)，而神經(jīng)元則通過中間區(qū)遷移至皮層板內(nèi)的特定層。與其他動物相比，人類大腦的祖細胞區(qū)域的組成要復雜的多，內(nèi)纖層將腦室下區(qū)分為內(nèi)外兩部分，而外部的腦室下區(qū)代表了一個完全獨立的祖細胞層，由IPC和一種稱為外放射膠質細胞（oRG）的獨特干細胞組成。這些復雜的區(qū)別使得人類在神經(jīng)元輸出和大腦大小上有了驚人的擴展【1】。

正是人腦發(fā)育的復雜性，使得利用模式生物研究許多腦疾病變得困難，因此體外人腦發(fā)育模型的開發(fā)成為必然趨勢，而過去十多年來，類器官技術的巨大發(fā)展為此帶來了新的方向。類器官模型利用發(fā)育過程中的自然自組裝特性，從干細胞中產(chǎn)生3D培養(yǎng)物，以囊括內(nèi)源性器官的結構和功能，因而在疾病建模、藥物篩選和再生醫(yī)學中有廣泛應用。而基于此開發(fā)的皮質類器官，則可以很好的模擬人類大腦皮層發(fā)育的特征【1,2】。

最初的研究表明，在皮質類器官模型中保存著許多種類的細胞，但也提示了類器官細胞和原代細胞之間的某些區(qū)別，尤其是發(fā)育過程中基因表達和細胞類型成熟的時空梯度在類器官內(nèi)的再現(xiàn)程度尚不清楚。雖然對一些最早的皮質類器官模型的分析表明了空間梯度的再現(xiàn)，但是目前對于皮質類器官中不同區(qū)域細胞類型的保真度和組成知之甚少，部分原因是我們?nèi)狈Πl(fā)育中的大腦皮層區(qū)域的分子細胞特征的完整而全面的說明。

2020年1月30日，來自美國加州大學的Arnold R. Kriegstein教授團隊在Nature上在線發(fā)表題為“Cell stress in cortical organoids impairs molecular subtype specification”的文章，利用單細胞RNA測序（scRNA-seq）技術，首次發(fā)現(xiàn)大腦皮質發(fā)育以祖細胞成熟軌跡、多種細胞亞型的出現(xiàn)和新生神經(jīng)元的區(qū)域特異性為特征，繼而發(fā)現(xiàn)與原代細胞相比，皮質類器官雖然包含廣泛的細胞分類，但是細胞應激通路表達異常、細胞亞型分型受損，保真性存在一定缺陷，從而為評估和提高皮質類器官作為人類大腦發(fā)育模型的準確性提供了一個框架。

為了評估大腦皮層細胞類型在類器官中的保真度，研究人員對發(fā)育中的人腦皮層和皮質類器官樣本進行了高通量scRNA-seq分析，并將結果與已發(fā)表的皮質類器官單細胞測序數(shù)據(jù)庫進行了比較。測序結果在兩類樣本中均發(fā)現(xiàn)了與放射狀膠質細胞（RG）、中間祖細胞（IPC）、成熟神經(jīng)元和中間神經(jīng)元相關的廣泛細胞類型。但是，與原代細胞樣本相比，類器官細胞中表達HOPX（外放射膠質細胞的標記物）的細胞數(shù)量減少了45%，而EOMES陽性的IPC的細胞數(shù)量也減少了63%，同時，SATB2陽性的上層神經(jīng)元數(shù)量更是減少了94%。分析結果表明，雖然皮質類器官保留了大部分神經(jīng)類型和細胞增殖狀態(tài)，但是細胞類型和亞型與所有類器官來源的細胞的相關性均明顯變差，皮質類器官中細胞類型保真度受損，并且不同的培養(yǎng)方式都能得出相似的結果（圖1）。

圖1原代細胞和皮質類器官細胞亞型的分子比較

從RG細胞產(chǎn)生神經(jīng)元的分化程序是高度保守的，本文的研究人員試圖找出區(qū)分IPC和神經(jīng)元的基因。他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，原始細胞的類型是由兩倍于皮質類器官細胞的基因所決定的，而這些基因在數(shù)據(jù)集之間基本上沒有重疊。通過繪制原始樣本中區(qū)分神經(jīng)元和RG細胞的每個基因的標準化計數(shù)發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)元中RG細胞標記物的表達較低，而RG細胞中幾乎不表達神經(jīng)元標記物。但是，這些細胞在皮質類器官細胞中卻有大量的共表達，導致類器官細胞和原代細胞類型及亞型之間的對應性降低。

與此同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)，大腦發(fā)育事件的進展，如神經(jīng)元和膠質細胞類型的產(chǎn)生，在類器官中比在原代組織中發(fā)生得更快，而祖細胞和神經(jīng)元區(qū)域不像在體內(nèi)那樣得到廣泛地擴展。經(jīng)過分析轉錄組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，這是因為那些本來存在于體內(nèi)的分子成熟過程在皮質類器官中并沒有被激活，這些程序在類器官中的失調(diào)可能影響它們完全再現(xiàn)體內(nèi)皮質神經(jīng)元分化軌跡的能力。此外，研究人員利用單細胞測序數(shù)據(jù)建立了一種新的大腦皮層區(qū)域特征分類模式，并且發(fā)現(xiàn)這些皮層區(qū)域的分子特征均出現(xiàn)在類器官神經(jīng)元中，但是它們并不在空間上相互分離。

進一步的，為了探索類器官RG細胞是如何再現(xiàn)其原代細胞亞型的，研究人員對oRG細胞進行轉錄組水平分析比較，結果發(fā)現(xiàn)，許多基因在皮質類器官oRG細胞中的表達高于原代oRG細胞，而這些基因在很大程度上與糖酵解或內(nèi)質網(wǎng)應激相關，但是，在人類正常皮質發(fā)育過程中，這些基因幾乎沒有表達。隨后深入實驗證實，類器官的細胞培養(yǎng)環(huán)境是其細胞應激增加的主要原因，而應激的增加則損害了皮質類器官的細胞亞型特異性。而把皮質類器官移植到小鼠大腦皮質后，體內(nèi)環(huán)境的存在使這種細胞應激減弱，細胞亞型特異性缺陷緩解。

綜上所述，本文提供了關于人類大腦皮層細胞發(fā)育及它們在大腦類器官模型中所能保存的全面的分子特征。利用單細胞轉錄組測序，確定了大腦發(fā)育的廣泛的細胞類別和類型，以及更細化的細胞亞型，同時發(fā)現(xiàn)，與原代組織相比，類器官含有較少數(shù)量的細胞亞型，它們的細胞常常共同表達多種標記基因，從而導致廣泛的類型分配，而這也與皮質類器官中應激通路的激活密切相關。本文的發(fā)現(xiàn)，為更好地理解正常的人類大腦發(fā)育和對體外類器官模型的保真度進行基準測試提供了寶貴的資源，同時也提示我們，在研究發(fā)育過程、細胞類型特異性疾病表型或細胞連接時，必須仔細考慮類器官保真度的缺陷問題。

原文鏈接：

https:///10.1038/s41586-020-1962-0

制版人：琪醬

參考文獻

1. Lancaster,M. A. et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly.Nature 501, 373–379 (2013).

2. Kadoshima,T. et al. Self-organization of axial polarity, inside-out layer pattern, andspecies-specific progenitor dynamics in human ES cell-derived neocortex. Proc.Natl Acad. Sci. USA 110, 20284–20289 (2013).