斑馬魚全腦轉錄圖譜揭示神經元表型分子調控規則

　　12月13日，eLife在線發表題為The landscape of regulatory genes in brain-wide neuronal phenotypes of a vertebrate brain的研究論文，該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、神經科學國家重點實驗室、上海腦科學與類腦研究中心研究員何杰研究組、嚴軍研究組和杜久林研究組共同完成。

　　大腦神經元高度多樣，多樣的神經元提供了大腦功能的結構基礎。因此，繪制全腦神經元類型的分子圖譜，進而解析其編碼機制，對于認識大腦結構功能及其發育進化具有基礎性意義，是當前腦科學的核心命題之一。該研究中，腦智卓越中心研究人員完成了對幼年斑馬魚全腦、腦區特異性、特定神經調質/神經遞質神經元約十萬細胞數量級的單細胞測序，繪制了幼年斑馬魚主要神經元類型的轉錄組圖譜（圖A-B）。

　　神經元之間的通訊主要通過神經遞質和神經調質。神經遞質介導動作電位的產生，神經調質通過調質突觸前末梢釋放遞質的量及活動水平，以增強或減弱遞質傳遞信息的效應。斑馬魚全腦細胞中，神經遞質神經元和神經調質神經元的比例約為20：1。研究人員分別提取這兩類神經元，基于層級聚類和群體統計分析，利用效應基因表達水平定義了相似神經元對 (similar neuron cluster pairs，圖C）。由于轉錄因子對效應基因的表達具有決定性作用，研究人員發現，神經遞質類相似神經元對具有不同轉錄因子表達模式，呈現“會聚型”模式 (“Convergent” pattern)；而神經調質類相似神經元對具有一致轉錄因子表達模式，呈現“一致型”模式 (“Matched” pattern, 圖D-E）。此外，研究發現一些轉錄因子十分相似的細胞群，效應基因的表達差別較大，甚至表現出完全不同的神經遞質類型，呈現“發散型”調控模式 (“Divergent”pattern，圖E）。深入分析發現，這些不相似的神經遞質類細胞群還表達不同的RNA結合蛋白 (RNA binding proteins, RBPs)編碼基因，暗示神經元類型決定的轉錄后調控編碼（圖E）。

　　該工作利用全腦單細胞測序分析，在全腦尺度上描繪了神經遞質、神經調質神經元的多樣性；研究還揭示了轉錄因子及轉錄后調控因子在編碼不同神經元類型的分子調控規則，為研究神經元多樣性產生和進化演變提供理論基礎。

　　研究工作得到中科院、國家自然科學基金委員會、科技部以及上海市的資助。

　　論文鏈接：https://elifesciences.org/articles/68224

幼年斑馬魚全腦單細胞轉錄組圖譜。（A）斑馬魚全腦單細胞測序實驗示意圖。（B）tSNE圖表征全腦45，746個細胞可以分為68個細胞群。不同來源的細胞用不同顏色表征。（C）定義斑馬魚全腦相似神經元對的策略。位于層級分析鄰近細胞群，且在群體距離分布中呈現最小距離的兩個細胞群稱之為“相似神經元對”。（D）條形圖表征不同神經元類型使用的調控策略有所不同。神經調質神經元主要采用“一致型”調控模式；而神經遞質神經元主要采用“會聚型”調控模式。（E）調控基因調節神經元屬性的策略：一致型，會聚型，發散型。其中，一致型和會聚型表征轉錄因子在定義神經元屬性時的策略；發散型表征RNA結合蛋白（RBPs）等轉錄后調控因子在調節神經元多樣性中的策略。