Science：通过单细胞分析揭示蝾螈端脑的神经发生和再生

诸如墨西哥蝾螈（axolotl, 学名Ambystoma mexicanum）之类的蝾螈在研究四足动物保守性状方面发挥了作用。到目前为止，对蝾螈大脑的细胞类型多样性及其与其他脊椎动物大脑的关系的研究主要是通过组织学来进行的。墨西哥蝾螈的大脑在胚胎后的生活中生长，新的神经元由增殖性的室管膜胶质细胞（ependymoglia cell）产生。墨西哥蝾螈的大脑在受伤后也会再生；然而，目前仍不清楚干细胞如何再生这种蝾螈的大脑以及神经元连接是否得到适当的恢复。 对端脑的单细胞和单核基因组分析揭示了几种羊膜动物（包括爬行动物、鸟类和哺乳动物）的细胞类型和大脑区域的多样性和进化关系。这些方法还揭示了发育期间和成年时期神经发生的分子轨迹。在一项新的研究中，来自奥地利维也纳生物中心和瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员对墨西哥蝾螈端脑的细胞类型、神经发生和进化保守性进行了分子表征。他们将单核基因组分析应用于稳定状态下和再生期间的墨西哥蝾螈端脑，以研究它的细胞类型的多样性和稳态神经发生的分子动态。他们比较了分子谱，以了解再生性神经发生的损伤特异性特征。相关研究结果发表在2022年9月2日的Science期刊上，论文标题为“Single-cell analyses of axolotl telencephalon organization, neurogenesis, and regeneration”。 这些作者利用单核RNA测序（snRNA-seq）和snATAC-seq以及空间转录组学，确定了墨西哥蝾螈端脑的细胞多样性。他们确定了区域分布的神经元、室管膜胶质细胞和神经母细胞（neuroblast）群体，并通过比较分析确定了它们在羊膜动物中的保守性。他们发现墨西哥蝾螈端脑含有谷氨酸能神经元（glutamatergic neuron），它们的转录与乌龟和小鼠海马体、背皮层和嗅皮层的神经元相似。嗅觉皮层样神经元也显示出来自嗅球的保守的神经元输入投射。墨西哥蝾螈中的释放γ-氨基丁酸抑制性神经元（下称GABA能抑制性神经元）显示出神经节隆起的不同亚区的特征，并与乌龟和小鼠的GABA能抑制性神经元相似。他们使用轨迹推理来构建稳态期间神经发生的分化轨迹，发现室管膜胶质细胞基本上会经历不同的中间神经母细胞类型，并使用特定的基因调控网络来形成不同的谷氨酸能神经元类型。在端脑损伤后，他们发现在再生性神经发生开始时，存在一种损伤特异性的室管膜胶质细胞转录状态，其特点是伤口愈合和细胞迁移基因的上调表达。损伤后的神经发生与稳态期间神经发生的进展相似，并导致失去的神经元和来自嗅球的输入投射的重新产生。 蝾螈端脑的结构、保守性和神经发生。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abp9262。 综上所述，这些研究结果表明，与哺乳动物端脑区域相关的细胞类型和基因表达模式在两栖动物大脑中也很明显。细胞类型的进化历史表明，与这些作者在墨西哥蝾螈和爬行动物中观察到的GABA能神经元相比，谷氨酸能神经元的差异更大。他们的结论是，在胚后期的墨西哥蝾螈中，端脑的神经发生是通过不同的神经母细胞进行的，这些神经母细胞与特定的神经元类型有关，并依赖于共同的以及特定的调控程序。他们发现在再生性神经发生中激活了这些共同的调控程序，这表明脑损伤在诱发损伤特异性室管膜胶质细胞转录状态后通过现有的途径激活了神经发生。再生的神经元重新建立它们以前与远处大脑区域的联系，这表明实现了潜在的功能恢复。他们对墨西哥蝾螈大脑如何再生的新见解可能为其他生物的大脑再生研究提供参考。 来源：生物谷