单细胞测序网讯：10月12日，多个国际研究团队在Science, Science Advances和 Science Translational Medicine发表了24篇研究论文，报道了迄今为止最全人脑与非人灵长类大脑的基因、细胞和结构组成图谱，推进了科学界对大脑结构有了更深入的了解，从而对大脑功能和功能障碍的细胞基础有了更深入的认识，为开发新一代针对精神障碍和其他脑部疾病患者的精准疗法铺平了道路。这些研究由美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）的 "通过推进创新神经技术进行脑研究计划"（BRAIN Initiative）资助，是美国国立卫生研究院（NIH）BRAIN Initiative细胞普查网络（简称BICCN）的一部分，该网络于2017年启动，是一项为期五年的资助计划，旨在建立一个脑细胞类型目录。新发布的研究数据还将纳入《人类细胞图谱》（Human Cell Atlas），该图谱是一项国际性工作，旨在为人体的所有器官、组织和系统建立一个全面的细胞参考图谱。美国国立卫生研究院大脑计划主任约翰-恩盖博士（Dr. John Ngai）评论说："目前的这一系列研究是一项具有里程碑意义的成就，它将继续为从细胞水平阐明人类大脑的复杂性架起一座重要的桥梁。通过BICCN建立起来的科学合作，以及在BICAN下一阶段继续开展的合作，正在推动这一领域以指数级的速度向前发展，其进展和可能性令人叹为观止。"美国国家精神卫生研究所所长、医学博士约书亚-戈登（Joshua A. Gordon）说："绘制大脑的细胞图谱是了解这一重要器官在健康和疾病中如何工作的关键一步，这些新的人脑和非人灵长类动物大脑详细细胞图谱为设计新疗法奠定了基础，新疗法可以针对脑部疾病所涉及的特定脑细胞和脑回路。"Transcriptomic diversity of cell types across the adult human brain
（https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7046）
该项目由 Sten Linnarsson 小组的 Kimberly Siletti 领导，是与美国西雅图艾伦脑科学研究所的埃德-莱恩（Ed Lein）密切合作进行的。研究人员使用单核 RNA 测序技术对三位捐赠者的整个人脑中的细胞进行了分析。首先分离了三位捐献者的死后组织，并富集了前脑（大脑皮层、海马、大脑核、下丘脑和丘脑）、中脑和后脑（脑桥、延髓和小脑）约 100 个区域的神经元。最终的数据集由三百多万个细胞组成，其中包括两百多万个神经元。通过反复聚类将其分为 31 个超聚类、461 个聚类和 3313 个子聚类。这种自上而下的方法使研究人员能够检查和比较细胞类别和区域内部以及细胞类别和区域之间的异质性。研究结果表明，每个脑区都包含特定的细胞类型和状态，这意味着细胞类型的完整特征需要深层组织取样，尤其是皮层以外的组织。与其他脑区相比，端脑在神经元和神经胶质细胞方面似乎是独一无二的，而脑干则由极其多样化的神经元组成，这些神经元可能支持先天性行为。这些观察结果对一系列表现出区域差异的人类疾病（包括癌症和神经退行性疾病）具有重要意义。Linnarsson教授说："很多研究都集中在大脑皮层，但我们在脑干发现的神经元种类最多。我们认为，其中一些细胞控制着先天性行为，如疼痛反射、恐惧、攻击和性行为。"Comprehensive cell atlas of the first-trimester developing human brain
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1226
该项目由Sten Linnarsson研究小组的Emelie Braun和Miri Danan-Gotthold与瑞典人类发育细胞图谱联盟合作，研究收集了26个脑部标本，时间跨度从受孕后5周到14周（pcw），并将其解剖成111个不同的生物样本。每个样本都进行了单细胞 RNA 测序，从而收集到 1,665,937 个高质量的单细胞转录组。利用高度复用的 RNA 荧光原位杂交（FISH）和空间转录组学对这些数据进行了 5 pcw 的空间转录组分析。研究人员确定了 616 个群集，并用元数据对其进行了注释，包括类和亚类、空间位置、胚胎年龄分布和特定基因表达标记。研究人员描绘了几个大脑区域的分化轨迹。新皮层中正在发育的兴奋性神经元谱系揭示了三种不同的正在进行的分子程序：从径向神经胶质细胞到神经元的分化、细胞周期和成熟。研究发现，虽然神经元的种类最多，但前星形胶质细胞和卵磷脂细胞在区域上也各不相同，它们的基因表达表明了区域和细胞类型特异性的支持功能。这些发现凸显了早期模式化事件的重要性，并为解释许多在发生或严重程度上表现出区域特异性模式的脑部疾病提供了丰富的资源，也为确定影响特定脑细胞群的人类疾病的治疗靶点提供了丰富的资源。Linnarsson教授的研究小组用类似的方法研究了不同种类的脑肿瘤，其中一种是预后不良的胶质母细胞瘤。他解释说："肿瘤细胞类似于未成熟的干细胞，看起来它们正试图形成大脑，但方式完全杂乱无章。我们观察到，这些癌细胞激活了数百个它们特有的基因，如果能挖掘出这些基因是否有成为新的治疗靶点的潜力，事情会变得很有意思。"Comparative transcriptomics reveals human-specific cortical features
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade9516
艾伦脑科研究所 Trygve E. Bakken 、Nikolas L. Jorstad等研究人员对人类和四种非人灵长类动物（NHP）物种的大脑皮层进行了深度转录组学分析，以鉴定同源细胞类型和人类特化细胞类型。研究人员生成了来自人类、黑猩猩、大猩猩、猕猴和狨猴的snRNA-seq数据（共超过57万个细胞核），从而建立了每个物种大脑皮层语言相关区域——颞中回（MTG）的细胞分类和灵长类动物分类共识。研究人员发现，黑猩猩神经元的基因表达谱与大猩猩神经元的基因表达谱比与人类神经元的基因表达谱更为相似，尽管黑猩猩和人类有着更早的共同祖先。相比之下，神经胶质表达的变化与进化距离一致，而且在所有物种中都比神经元表达变化更快。在所有灵长类物种中，许多差异表达基因（DEGs）特异于一种或几种细胞类型，并显著富集于与突触连接和信号传导相关的分子通路中。数以百计的基因在转录本异构体使用方面存在人类特异性差异，这些基因在很大程度上与 DEGs 不同。研究人员利用已发表的数据集将人类特异性 DEGs 与基因组中存在人类加速突变或缺失（HARs 和 hCONDELs）的区域联系起来，惊奇地发现，人类特异性 DEGs 的很大一部分（15% 到 40%），尤其是那些与突触连接和信号转导相关的 DEGs，都在这些处于适应性选择的基因组区域附近。研究表明，我们与非人灵长类动物具有相同的基本脑细胞类型结构，但这些保守细胞类型使用的基因发生了变化。具体来说，许多参与神经元之间连接和大脑回路形成的基因在人类和其他灵长类动物之间是不同的。Single-cell analysis of prenatal and postnatal human cortical development
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adf0834
加州大学Eli和Edythe Broad再生医学和干细胞研究中心Arnold R. Kriegstein团队Dmitry Velmeshev等研究人员从出生前和出生后发育阶段的人类大脑皮层样本中生成了 snRNA-seq 数据，并将这些数据与之前发表的数据集进行了整合，研究分析了来自 169 个组织样本和 106 位捐献者的超过 70 万个 snRNA-seq 图谱。通过单细胞轨迹分析，研究人员确定了与特定皮层细胞类型（包括兴奋性神经元亚型、中间神经元、胶质细胞和脑血管）的形成有关的发育程序，还确定了特定性别和区域的发育转录组程序，这些程序被特定的皮质细胞系使用。通过将特定谱系的转录组图谱与单核染色质可及性数据相交叉，研究人员定义了增强子基因调控网络和转录因子，它们对特定皮质谱系的形成至关重要。通过对细胞系特异性分子发育程序的深入分析，研究人员确定了与神经发育障碍风险有关的细胞系和发育阶段，并观察到女性细胞中上调的细胞系特异性基因表达程序尤其富含自闭症的遗传风险因素。这一发现表明，在自闭症中，男性对单倍体缺陷的易感性可能会增加，这可以为观察到的男性自闭症发病率增加提供一个合理的解释。研究揭示了人类大脑皮层发育过程中的分子变化。通过整合单核 RNA 表达和染色质可及性图谱，绘制了横跨出生前和出生后发育过程的大脑皮层系全面转录组图谱，确定了关键转录网络，突出了性别特异性发育变化，并定义了神经发育疾病遗传风险因素最富集的细胞类型和发育阶段。研究还揭示了大脑皮层正常发育的特异性机制、大脑发育疾病的遗传易感性，以及自闭症发病机制中性双态基因表达的作用。Single-cell DNA methylation and 3D genome architecture in the human brain
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf5357
来自索尔克生物研究所Joseph R. Ecker团队与其他团队的研究人员合作分析了来自三个人脑的50多万个脑细胞，以前所未有的详细程度绘制了组成人脑的数百种细胞类型图谱，全面分析了跨越多个区域的成人脑细胞中的DNA甲基化和染色质构象。研究揭示了基于表观基因组的脑细胞类型分类，阐明了基于表观基因组印记的不同分类。研究还发现了神经元与非神经元之间染色质接触距离的明显差异，从区块、域和环路及其与染色质可及性和基因表达的关系中，深入了解了脑细胞的三维基因组组织。研究还发现了细胞特异性DNA甲基化模式及其对基因调控网络的总体影响。研究还发现了大脑皮层和基底节的区域差异，对比研究强调了人类和小鼠之间脑细胞类型和 DMRs 的一致性。最后，研究人员开发了单细胞甲基化条形码（scMCodes），为精确识别人类脑细胞类型带来了巨大希望。这项综合研究展示了人类大脑的单细胞 DNA 甲基化和三维基因组结构图谱。它揭示了整个大脑中细胞类型的特异性和不同的表观遗传结构。该表观基因组图谱有望成为一种宝贵的资源，推动人们进一步发现脑细胞的多样性、基因调控机制以及新基因工具的诞生。A comparative atlas of single-cell chromatin accessibility in the human brain
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf7044
加州大学圣地亚哥分校Bing Ren团队领导的这项研究中，研究人员在单细胞水平上对人脑染色质的可及性进行了全面分析，分析对象包括三名神经畸形成人的 42 个不同脑区的 110 万个细胞。研究人员利用该染色质图谱定义了 107 种不同的脑细胞类型，并揭示了这些细胞类型中 544,735 个推定转录调控元件的染色质可及性状态。这些调控元件中有相当一部分在小鼠脑细胞中同时表现出序列保守性和染色质可及性，突出了它们的功能重要性。通过综合分析，研究人员将许多推测的转录调控元件与潜在的靶基因联系起来，进一步利用该图谱预测了 19 种神经精神特征和疾病的相关细胞类型。最后，研究人员开发了机器学习模型来预测疾病风险变异的调控功能，并通过互动门户网站 CATLAS（www.catlas.org）向公众免费提供了这一图谱。参考资料来源：
1、NIH官网
2、Science官网
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