中山大學中山眼科中心團隊研究證實成年靈長類存在活躍的神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象

成年靈長類是否存在活躍的神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象依然存在爭論。2022年5月30日，中山大學中山眼科中心劉勝/劉奕志/向孟清團隊聯(lián)合在Nature Neuroscience（影響因子25）在線發(fā)表研究論文，“Single-cell transcriptomics of adult macaque hippocampus reveals neural precursor cell populations”。該研究全面繪制了成年靈長類的神經(jīng)發(fā)生細胞圖譜，優(yōu)化的免疫熒光染色和神經(jīng)前體細胞體外培養(yǎng)證實了成年食蟹猴海馬存在活躍的神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象。該研究對促進成體神經(jīng)發(fā)生，修復受損的神經(jīng)系統(tǒng)，如視覺功能損傷、運動障礙以及記憶喪失等疾病的最終治療都具有重要的醫(yī)學意義。

中山眼科中心為論文第一單位、 第一作者和最后通訊作者發(fā)表在Nature Neuroscience長文論著

神經(jīng)細胞是構成神經(jīng)系統(tǒng)的基本功能單元，能編碼、傳遞和解碼信息，猶如構建高樓大廈的一磚一瓦。傳統(tǒng)神經(jīng)科學的觀點認為神經(jīng)元不能再生，一旦死亡，就是永久性的。青光眼、視神經(jīng)損傷和視覺通路缺血等都可以導致視神經(jīng)細胞的死亡，影響視覺功能，甚至造成失明。多巴胺神經(jīng)元死亡會導致帕金森癥，造成患者運動功能喪失。而阿爾茨海默病會導致與高級認知和記憶相關的神經(jīng)元死亡，從而使記憶和認知功能下降。目前針對這些疾病，還缺乏有效的治療方法。

海馬齒狀回是成年哺乳動物可以持續(xù)產(chǎn)生新生神經(jīng)元的兩個腦區(qū)之一。小鼠海馬區(qū)的神經(jīng)干細胞會分裂增殖并分化成新的神經(jīng)元，并能與環(huán)路進行整合，發(fā)揮生理功能。而成年靈長類動物海馬是否存在活躍的神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象一直存在較大的爭議。全面系統(tǒng)的研究靈長類的成年神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象對最終治療視覺功能損傷、中樞神經(jīng)系統(tǒng)運動障礙以及記憶、認知功能障礙都具有重要的醫(yī)學意義。

以往對成年靈長類大腦單細胞測序研究是使用單細胞核轉錄組測序（single nuclei RNA-seq）技術，只能檢測到細胞核中的RNA，而本課題中研究人員優(yōu)化和改進了靈長類腦組織的單細胞分離技術，首次在成年靈長類腦研究中使用了全細胞的單細胞轉錄組測序技術（single cell RNA-seq），繪制了成年食蟹猴（Macaca fascicularis）海馬體神經(jīng)發(fā)生的單細胞轉錄組圖譜，并描述了他們的細胞分化軌跡以及基因調控網(wǎng)絡（gene regulatory network，regulon）。結合經(jīng)典分子標記、基因調控網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)整合以及細胞轉錄本瞬間態(tài)的RNA速度（RNA velocity）的方法，確立了神經(jīng)發(fā)生過程中的關鍵細胞類型，包括放射狀膠質樣細胞（radial glia-like cells， RGL），中間前體細胞（intermediate progenitor cells，IPC），以及神經(jīng)母細胞（neuroblast，NB）等。這些細胞類型及其分化軌跡的確立，在單細胞轉錄組水平上完整重構了靈長類神經(jīng)發(fā)生分子過程（圖1）。

圖1

研究人員發(fā)現(xiàn)靈長類動物與小鼠的成年神經(jīng)發(fā)生既存在共同點，又存在實質性差異，特別是通過細胞分化軌跡分析以及經(jīng)典的神經(jīng)發(fā)生的標志基因DCX免疫熒光染色，發(fā)現(xiàn)了成年靈長類動物海馬體中存在大量的未成熟新生神經(jīng)元，而成年小鼠中的未成熟新生神經(jīng)元數(shù)量非常低，提示成年靈長類的神經(jīng)網(wǎng)絡可塑性與嚙齒類存在重要差異。對這些物種間神經(jīng)發(fā)生的共同性和差異性的研究，有助于利用小鼠的己經(jīng)積累的豐富神經(jīng)發(fā)生知識推動目前知之甚少的靈長類神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象的研究，以及向臨床方向轉化。

研究者發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)發(fā)生過程中，參與調控神經(jīng)干細胞增殖的一個重要基因HMGB2 （High-Mobility Group Protein B2）。HMGB2蛋白可與染色質結合，參與基因表達的調控，其表達量與RGL 向IPC 的轉化過程密切相關。這一基因的發(fā)現(xiàn)對進一步研究調控神經(jīng)干細胞增殖具有重要意義（圖2）。

圖2

為進一步驗證成年靈長類動物海馬存在神經(jīng)前體細胞和具有神經(jīng)發(fā)生的潛能，研究人員通過分離培養(yǎng)成年食蟹猴海馬細胞，獲得了具有多次分裂及傳代潛能的神經(jīng)前體細胞，并應用單細胞測序和免疫熒光染色等技術證明該細胞具有典型的神經(jīng)干細胞屬性，不僅表達多種神經(jīng)干細胞的分子標記，而且能夠向神經(jīng)元及膠質細胞方向分化。結合體內實驗的數(shù)據(jù)，進一步證實了成年靈長類動物海馬存在神經(jīng)前體細胞和神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象（圖2），在干細胞治療以及藥物篩選方面具有廣泛的應用前景。

中山大學中山眼科中心、眼科學國家重點實驗室為本論文第一單位。中山大學中山眼科中心的郝趙哲、韋佳如、肖冬長為本論文共同第一作者，中山大學中山眼科中心的劉勝研究員，劉奕志教授和向孟清教授以及European Bioinformatics Institute 的苗智超研究員為本文共同通訊作者。