【学术前沿】专家点评Cell Stem Cell | 吴青峰团队发现神经元多样性起源的新规律

点评 | 张旭（中国科学院院士）、时松海（清华大学）

神经系统是人体最为复杂且最为重要的器官之一。深入理解神经发育对于神经科学研究和再生医学具有举足轻重的作用。大脑发育异常所引起的多种神经、精神疾病给无数家庭和社会带来沉重的心理和经济负担。利用模式动物阐明神经发育生物学中存在的基础性关键问题是现代生命科学研究的重要任务。

研究神经发育，需要系统性地了解神经前体细胞的类型、特征、谱系命运以及神经元的分化和成熟过程。过去数十年有大量的研究成果逐步揭示了哺乳动物层状结构（大脑皮层和视网膜）的神经发生机制和谱系发育规律。有趣的是，大脑皮层神经前体细胞在分化成神经元的过程中，命运往往发生了预决定，我们称为“命运决定模型”；视网膜前体细胞在分化过程中可以随机产生不同类型的神经元，我们称为“随机决定模型”。然而，下丘脑，作为一个对生命维持至关重要而且高度复杂的脑区，其发育过程中复杂的细胞谱系演化，以及神经元多样性的起源仍是一个远未解决的难题。

2021年4月21日，中科院遗传发育所吴青峰课题组在Cell Stem Cell上在线发表了题为Cascade Diversification Directs Generation of Neuronal Diversity in the Hypothalamus的论文。该研究结合谱系追踪和单细胞技术对43261个发育中的小鼠下丘脑细胞进行了转录组测序和分析，绘制出小鼠下丘脑的动态发育轨迹，并识别了从放射状胶质细胞 (RGCs)，中间前体细胞 (IPCs)，新生神经元（Nascent neurons）到肽能神经元（Peptidergic neurons）的下丘脑发育谱系树，并提出“级联放大规律”来解释复杂脑区神经元多样性的起源。

研究人员首先利用下丘脑特异性标记工具鼠，对胚胎11天（E11）、14天（E14）及产后0天（P0）、7天（P7）共四个时期的下丘脑细胞进行谱系标记和流式分选，获得单细胞转录组数据，共鉴定出8大群神经细胞。其中，RGC、IPC、新生神经元和肽能神经元分布于细胞谱系由高而低的四个等级上。

RGCs，即胚胎神经干细胞，位于神经细胞谱系的最高等级。研究人员对这些细胞的分析表明：即使是在发育早期，RGCs细胞内部已经出现了强烈的异质性，根据所处细胞周期状态和表达谱的不同可划分为多样化的前体细胞亚型，并展现出特异的分化启动信号。RGCs能够进行多潜能分化，并产生两群空间分布完全互补、分子表达谱不同的IPCs。

IPCs，是具有分裂能力的神经元前体细胞，以上提到的两群IPCs，可以分别用Ascl1和Neurog2两个转录因子进行标记。在大脑皮层中，谷氨酸能（兴奋性）和GABA能（抑制性）神经元具有完全不同的细胞起源。令人兴奋的是，研究人员发现下丘脑中有一群 IPCs 显示出命运双向性，能同时产生谷氨酸能和GABA能神经元；而另一群IPCs只能产生谷氨酸能神经元。在脑进化上究竟如何发生这种转变，即IPC命运的单一化，是值得进一步研究的问题。

新生神经元，由IPC所产生，但不再具有分裂能力。在新生神经元的过程中，还能够进一步发生命运多样化，产生多种肽能神经元。研究人员找到了三组，分别是“一生一”、“一生二”和“一生三”的肽能神经元成熟模式，这就进一步产生了更复杂的神经元多样性。

此外，该研究还提出了几个重要的知识点，拓展了下丘脑发育的研究边界。其一，下丘脑伸展细胞，即所谓的“第三群成体神经干细胞”，是在胚胎发育过程中预留出来的RGC所产生的，而不在发育的后期形成；其二，研究人员鉴定了一系列下丘脑神经元的命运决定子，为特殊肽能神经元的再生奠定了重要的基础。

最后，吴青峰团队利用基于嵌合双色标记（MADM）系统进行了单细胞谱系追踪，即克隆分析，证明单个RGC平均能够产生7.9个神经元，并且它们具有分化为多种神经元亚型的能力。

简而言之，此研究通过谱系追踪技术和单细胞分析，成功描绘出RGCs、IPCs、新生神经元和肽能神经元在下丘脑神经谱系中的发育轨迹,鉴定出关键细胞类群的分子特征和发育潜能，并最终阐明了下丘脑神经元的复杂性来源，揭示了新规律。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.03.020

专家点评

张旭（中国科学院院士，中科院上海高等研究院研究员）

下丘脑是中枢神经系统中最为复杂的脑区之一，神经元高度多样性，能够分泌多样化的神经肽和神经递质，并调控一系列对生命至关重要的本能行为和内分泌等。下丘脑重要到什么地步呢？它一手掌管了维持生命的诸多要素：吃、喝、睡和繁衍等。众多本能行为，如摄食行为和交配行为等，这些是可以在未经过任何训练的动物中都可以观察到的复杂的行为，与个体的生存繁衍密切相关。而这些复杂行为的控制则是由神经元类型多样性决定的，因为神经元的多样性决定了可以建立的相关神经回路回路的多样性，进而也决定其行为方式。

尽管我们对这些下丘脑的解剖、功能和细胞分类已有了一定程度的研究，然而，我们对下丘脑的细胞谱系仍缺乏了解，更重要的是，下丘脑神经元的复杂性是如何产生的？这些重要的基础科学问题在很大程度上仍是未知的。

吴青峰实验室的这项研究工作，绘制了全新的下丘脑发育动态蓝图，揭示了下丘脑神经元多样性产生的分子调控机制以及细胞谱系演化过程。十分重要的是，研究鉴定出了下丘脑中不同类型的神经前体细胞（RGCs）、中间前体细胞（IPCs）和不同发育成熟度的神经元，识别了它们的分子特征谱，并解析了细胞发育谱和不同神经元的命运决定子。其中一个重要发现，是识别了两群IPCs，其中一群IPCs还能同时产生兴奋性和抑制性神经元，并用一系列谱系追踪实验，提出了一个级联放大模型来解释神经元多样性的产生。

这项研究工作在绘制下丘脑神经元的动态发育轨迹基础上，首次详细解答了关于下丘脑神经元多样性产生起源这一重要基础问题，是下丘脑发育研究领域的一项重大突破。他们还鉴定出关键细胞类型的分子特征，揭示了下丘脑前体细胞的发育潜能，这将有助于理解下丘脑动态变化的发育过程，同时也为厌食、嗜睡、失眠等一系列复杂神经疾病的研究提供了重要的线索。

时松海（清华大学生命科学学院教授，清华-IDG/麦戈文脑科学研究院院长）

神经元多样性及其起源一直是发育神经生物学的核心问题之一。下丘脑神经元通过复杂的突触连接组成神经环路，从而调控哺乳动摄食、饮水、睡眠、情绪和昼夜节律等一系列行为。然而，下丘脑中神经细胞产生的起源和多样性这个问题一直以来都没有得到很好的解决。在以往的研究中，由于没有有效的技术手段可以在胚胎发育早期分离或标记到有效的下丘脑组织或细胞，因此难以精准地示踪下丘脑神经前体细胞的谱系进展和神经元的分化成熟过程。

在本期Cell Stem Cell发表的来自吴青峰研究团队的文章中，研究人员采用特异性标记的工具鼠对下丘脑进行在体谱系追踪和单细胞转录组分析，这不仅克服了人工显微解剖取样的局限性，还捕获了大量处于下丘脑神经发生早期的放射状胶质细胞和中间前体细胞。此外，本项研究利用双标记嵌合分析法（Mosaic analysis with double markers, MADM），对单个神经干细胞进行时空特异性的在体荧光标记，从而在单细胞水平系统定量分析放射状胶质细胞（Radial glial cells，RGCs）分裂产生神经元和神经胶质细胞的行为，揭示子代神经细胞的种类、数目和分布特征，为单细胞水平研究下丘脑神经干细胞的多样化放大模式提供了前所未有的分辨率。

吴青峰团队的这项研究首次精确阐明了下丘脑早期的神经发生模式，回答了神经元复杂化起源这一问题。这将极大地推动下丘脑科学领域的向前发展，同时促进相关神经科学领域的进一步深入和拓展。

吴青峰课题组招聘博士后

中科院遗传发育所吴青峰课题组主要从事神经发育和神经调控代谢的研究工作，相关研究在Cell、Cell Stem Cell、Nat Commun、Cell Reports和PLoS Bio等期刊上发表。课题组现公开招聘从事发育生物学、神经生物学和生物信息学等领域的博士后研究人员1-2名，工资待遇和福利具有竞争性。

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