Nature | 灵长类动物中间神经元的新发现

撰文 | Qi

责编 | 兮

大约9000万年前有着共同祖先的灵长类动物和啮齿类动物，现如今在行为和认知能力上表现出极大的差异，而这些差异的细胞基础仍是未知的【1】。脊椎动物的每个大脑结构都有自己独特的进化史，例如，新皮质（neocortex）在大约2亿年前出现于哺乳动物，而距今5亿多年前脊椎动物的最后共同祖先中已经存在明显的基底神经节【2,3】。大脑的进化通常可能是由保守结构中细胞组成或分子表达的适应性变化驱动的。在较大的保守大脑系统中对特定细胞类型进行修饰的例子包括，控制青蛙中物种特异性求偶呼叫的后脑回路，灵长类动物中三色视觉（trichromatic vision）的演变等【4,5】。而进化像是一双“剪刀手”，可以在数亿年的历程中修剪着我们的大脑结构，例如增加或减少给定类型细胞的产量或存活率，改变共享细胞类型的分子和细胞特性，将细胞类型重新分配至新区位置，“遗弃”某种细胞类型或“发明”某种新细胞类型等。

在比较分析不同物种的神经系统演变史时，作为神经回路中抑制作用主要来源的中间神经元（interneuron）往往受到特别关注，因为它们在任何一个物种中的形态和生理方面均各不相同，然而主要的中间神经元在羊膜动物（amniotes）之间是共享的。尽管中间神经元的主要发育起源似乎是保守的，但我们仍不清楚它们如何分配到各自的目的地，局部信号在多大程度上影响其基因表达，或进化在多大程度上改变了这些特性。

2020年9月30日，来自哈佛医学院遗传学系的Steven A. McCarroll课题组和Fenna M. Kriene课题组在Nature杂志上合作发表题为Innovations present in the primate interneuron repertoire的文章，作者通过使用单核RNA测序技术（single-nucleus RNA sequencing）检测来自灵长类动物，啮齿动物和鼬鼠的同源大脑区域共188776个中间神经元的RNA表达情况，发现物种内部和物种间中间神经元的显著差异，并鉴定出一组在灵长类动物中富集，而在啮齿类动物和鼬鼠中没有分子同源对应物的纹状体中间神经元类型。这一新发现对于理解物种之间的进化差异至关重要。

首先，作者通过单核RNA-seq检测来自人类、猕猴、狨猴、小鼠和雪貂五个物种的新皮层，海马体和纹状体结构分离出的脑细胞核中的RNA表达情况。在这些物种中，相同的四个基因（SST，PVALB，VIP和LAMP5）在新皮层中间神经元的非重叠子集中表达，并且几乎占新皮层中间神经元的100％，这表明这些基因稳定地描绘了这些物种中的新皮层中间神经元类型的核心组成部分。

图1. 工作流程模式图

为了评估物种之间区分中间神经元类型的基因表达变异模式的程度，作者比较了每个物种内四种主要中间神经元类型（PVALB+，SST+，LAMP5+和VIP+）的全基因组RNA表达模式。许多基因在细胞类型特异性表达模式下发生了类别变化（包括NTNG1，IQGAP2和TRPC3），在极少数情况下，某些基因在特定物种中是某种细胞类别的特异性标志物，而在其他物种的中间神经元中未被检测到。

随后，作者想要知道中间神经元的更特定亚型，并比较这些亚型在物种间和不同脑区的差异，采用一种可以使数据集之间表达模式对齐的计算方法。首先，采样了狨猴的7个皮层区域，在这7个不同区域中均存在17种相同的基本中间神经元类型，而这些保守型的基因表达模式却因狨猴的皮质区域而异。在各种中间神经元类型中，狨猴的PFC和V1之间的区域差异表达基因（regionally differentially expressed genes, rDEGs）中位数为55，相较于小鼠（12.5）而言，差异大于三倍。在狨猴中鉴定出的rDEGs在其他物种中也存在类似的区域偏好。

值得注意的是，基因表达的空间模式，包括宏观梯度以及初级和高级新皮层区域之间的差异，在发育过程中参与新皮层区域的布局并持续到成年。为评估中间神经元是否在其最终迁移至的新皮层位置存在局部特化，作者研究在PFC和V1之间差异表达的基因在其他区域的表达方式，并揭示rDEGs表达与采样区域的前后位置密切相关，且通过单分子荧光原位杂交（single-molecule fluorescence in situ hybridization, smFISH）分析再次验证整个狨猴新皮层中PVALB+中间神经元中ASS1和CRYM基因也存在空间分级表达。此外，许多基因在顶叶联合皮层（association cortex）中的表达水平与颞叶和额叶前联合皮层的表达水平更相似，而与解剖学上更临近的感觉区相似度更低。这可能反映出与区别初级和高级新皮层区域相关的复杂模式，而线性梯度并不能很好地捕获这些模式，明确地解析大脑中这些复杂“地形”将需要对新皮质区域进行全面采样。

图2. 跨物种和脑区的皮层中间神经元的比较分析

在这项研究中涉及的物种其新皮层中存在分子同源中间神经元类型，但丰度却存在明显差异。作者发现，灵长类和非灵长类新皮质间细胞类型丰度差异最明显的是共同达转录因子LHX6的灵长类LAMP5+细胞。三种灵长类动物皮层中LAMP5+ LHX6+的中间神经元所占比例约比小鼠皮层中高八倍。此外，将灵长类皮质LAMP5+ LHX6+群体表达谱与从小鼠大脑8个主要结构采样的17952个中间神经元的表达谱进行比较，可以发现灵长类皮质LAMP5+ LHX6+细胞与小鼠海马体中的Lamp5+ Lhx6+中间神经元最相似。而与这些中间神经元在不同物种皮质中的丰度和分布存在的显著差异相反，啮齿动物和灵长类动物在海马体中中间神经元的丰度和分布却高度相似。

尽管在灵长类动物谱系中新皮层相较于其他物种而言已明显扩张，然而包含基底神经节的皮层下核却深度保守，例如七鳃鳗在5亿多年前与哺乳动物享有共同祖先，直至今日仍保留与小鼠同源的核，回路和基本细胞类型【3】。为此，作者推断纹状体，作为基底神经节的最大部分，其中间神经元类型可能在整个物种中高度保守。出乎意料的是，除了在小鼠中鉴定的所有主要类别纹状体中间神经元外，狨猴纹状体中还显示出未在小鼠中找到同源对应的其他类型中间神经元（以下简称为TAC+中间神经元）。TAC+中间神经元富集于雌性及雄性狨猴的包含尾状核，壳状核和伏隔核在内的所有纹状体核。TAC+中间神经元表达的独特转录因子、神经肽、转运蛋白和受体，在狨猴和小鼠的其他中间神经元亚型中均未观察到，因而作者推断，这一细胞群表达的基因可能提供有关其发育起源的线索。

总的来说，在这项研究中，作者提出尽管大多数主要分子定义类型的皮层中间神经元在其他物种中具有明确对应物，但这些细胞类型在其丰度，表达基因以及水平上均经历了令人惊讶的进化变化。理解这种差异对于解释人类非编码遗传变异或单倍体功能不足，以及选择合适的动物模型以研究在人类患者中确定的杂合突变将非常重要。作者提出，可以建立系统的数据集以提供人类和其他物种共享每种基因的细胞类型特异性表达模式的程度。为了支持此类工作，作者开发一项基于中间神经元的跨物种比较数据集（http://interneuron.mccarrolllab.org/）。利用这些资源，结合这项研究中鉴定出的灵长类动物纹状体独特的（相对于小鼠和雪貂而言）的中间神经元类型，能够对未来更多物种的进化分析提供参考。

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2781-z

制版人：十一

参考文献

1. Kumar, S., Stecher, G., Suleski, M. & Hedges, S. B. TimeTree: a resource for timelines, timetrees, and divergence times.Mol. Biol. Evol.34, 1812–1819 (2017).

2. Northcutt, R. G. & Kaas, J. H. The emergence and evolution of mammalian neocortex.Trends Neurosci.18, 373–379 (1995).

3. Laclef, C. & Métin, C. Conserved rules in embryonic development of cortical interneurons.Semin. Cell Dev. Biol.76, 86–100 (2018).

4. Barkan, C. L., Kelley, D. B. & Zornik, E. Premotor neuron divergence reflects vocal evolution.J. Neurosci.38, 5325–5337 (2018).

5. Peng, Y.-R. et al. Molecular classification and comparative taxonomics of foveal and peripheral cells in primate retina.Cell176, 1222–1237 (2019).