揭秘大脑皮层中间神经元发育

撰文 | 十一月

大脑的功能多种多样又精妙复杂，大脑皮层发育其中一个重要标志便是存在极度丰富的中间神经元【1-3】。但是神经元多样性的产生是如何实现以及如何调控的还是领域内一大难题。皮层中间神经元中最大的两个亚型分别是小清蛋白（Parvalbumin，PV）阳性细胞以及生长素抑制素（Somatostatin，SST）阳性细胞。这两个亚型的中间神经元虽然在成年时期的形态和功能是不同的，但是早期起源于共同的细胞谱系。因此，这两种亚型的中间神经元作为研究神经元多样性的模型再好不过。

近日，美国哈佛大学医学院Gord Fishell研究组与Flatiron研究所Richard Bonneau研究组合作发文题为Genetic and epigenetic coordination of cortical interneuron development，通过对大脑皮层中PV细胞以及SST细胞发育以及分化过程中遗传学以及表观遗传景观的绘制揭开了皮层中间神经元发育的神经调控网络并对其中关键的转录因子的作用机制进行了解析。

为了对PV细胞以及SST细胞的特异性分歧进行解析，作者们先前的研究发现在转录水平上，中间神经元分成三个分支，其中一个分支对应中间神经元前体细胞，另外两个分支对应投射神经元前体细胞【4】。为了对中间神经元多样性的具体机制进行解释，作者们对比了胚胎时期E13天这些分支前体细胞的RNA表达以及染色质可及性，这一时期正是内侧神经节隆起（Medial ganglionic eminence，MGE）中间神经元发生的高峰阶段。作者们使用单细胞RNA测序、ATAC-seq（Assay for transposase-accessible chromatin with sequencing）测序以及多组学联用等测序方式对报告转基因小鼠的E13天的MGE中间神经元前体细胞进行检测。通过将多组学的结果进行吻合比对，作者们发现，与基因表达相比发育相关基因的启动子可及性的出现通常更早且维持时间更久。

作者们使用差异基因表达分析以及对与这些基因相关的远端染色质元件的分析方法，对多组学的峰图进行整合并将研究范围缩小到转录因子。作者们发现细胞命运关键调节因子Maf【5, 6】高度表达在分支1的中间神经元中，且该染色质开放区域富含该转录因子的DNA结合基序，其他分支1中间神经元前体特异性转录因子也具有相似的特征。

为了对早期中间神经元命运分歧是如何出现与进行的进行分析，作者们对报告转基因小鼠的胚胎时期、出生后的不同时期大脑皮层的中间神经元的单细胞RNA-seq以及单细胞ATAC-seq的数据进行收集。先前的研究表明，在成年时期大脑皮层的单细胞RNA-seq以及单细胞ATAC-seq的特征高度相似【7】。但是作者们发现在发育过程中，这些细胞群体在转录的以及染色质特征中出现了显著的不匹配现象（图1）。产后第二天（P2）是大脑皮层中间神经元完成迁移到达其皮层特定位置并开始整合神经环路的时间点【8】，与作者们的单细胞RNA-seq以及ATAC-seq结果是一致的。进一步地，为了研究不同亚型中间神经元特异性特征出现的时间窗口，作者们对PV以及SSST中间神经元的特有的峰图极性分析，发现这些成熟亚型中间神经元特异性染色质特征最先在产后P2时间点被检测到。因此，这一时间点也是皮层中间神经元染色质结构发生实质性重塑的关键发育窗口。

图2 发育过程中中间神经元scRNA-seq以及scATAC-seq结果不匹配

为了对中间神经元群体细胞命运转变过程进行描述，作者们对中间神经元迁移以及定植后的染色质开放特征进行检测，并对开放区域的转录因子DNA结合基序特征也进行了整合。在建立了中间神经元PV以及SST基因调控网络的景观后，作者们希望对移除关键调控因子后对基因表达调控的变化进行检测。在先前的研究中发现Mef2c对于PV中间神经元的发育是非常重要的，缺失会造成产后PV中间神经元的丢失【4】。这一结果与ATAC-seq中PV特异性峰富集MEG2C结合基序这一特征是一致的。但是作者们使用CUT&RUN技术分析后发现在PV以及SST这两种中间神经元中都存在MEF2C。因此，Mef2c对于发育中的中间神经元基因调控共性以及特异性研究而言均是非常好地模型。作者们发现，Mef2c缺失后会造成PV中间神经元成熟发生异常，但是对SST的影响则非常微弱，而其中的原因是Mef2c的缺失不成比例地影响PV细胞的基因调控景观。

总的来说，该工作通过单细胞RNA-seq以及单细胞ATAC-seq从分子层面以及功能层面揭示了PV以及SST中间神经元的分歧过程中的具体机制，不同的中间神经元最初共享相同的分子程序，通过特异性转录因子对于染色质景观的重塑和改变从而建立起多样的神经元身份。该工作不仅揭示了特定的神经元间身份的产生机理，也为理解生理和病理的不同神经元发育提供了新的思路。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03933-1

参考文献

1 Ascoli, G. A. et al. Petilla terminology: nomenclature of features of GABAergic interneurons of the cerebral cortex. Nature reviews. Neuroscience 9, 557-568, doi:10.1038/nrn2402 (2008).

2 DeFelipe, J. et al. New insights into the classification and nomenclature of cortical GABAergic interneurons. Nature reviews. Neuroscience 14, 202-216, doi:10.1038/nrn3444 (2013).

3 Kepecs, A. & Fishell, G. Interneuron cell types are fit to function. Nature 505, 318-326, doi:10.1038/nature12983 (2014).

4 Mayer, C. et al. Developmental diversification of cortical inhibitory interneurons. Nature 555, 457-462, doi:10.1038/nature25999 (2018).

5 Pai, E. L. et al. Mafb and c-Maf Have Prenatal Compensatory and Postnatal Antagonistic Roles in Cortical Interneuron Fate and Function. Cell reports 26, 1157-1173.e1155, doi:10.1016/j.celrep.2019.01.031 (2019).

6 Pai, E. L. et al. Maf and Mafb control mouse pallial interneuron fate and maturation through neuropsychiatric disease gene regulation. eLife 9, doi:10.7554/eLife.54903 (2020).

7 Preissl, S. et al. Single-nucleus analysis of accessible chromatin in developing mouse forebrain reveals cell-type-specific transcriptional regulation. Nature neuroscience 21, 432-439, doi:10.1038/s41593-018-0079-3 (2018).

8 Miyoshi, G. & Fishell, G. GABAergic interneuron lineages selectively sort into specific cortical layers during early postnatal development. Cerebral cortex (New York, N.Y. : 1991) 21, 845-852, doi:10.1093/cercor/bhq155 (2011).

注：本文来自BioArt微信公众号，更多生物领域前沿信息等你来发现！

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。