《Cell》大脑发育的不均衡之谜与代谢新视角

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背景

哺乳动物的大脑是一个结构与功能高度复杂的器官，其不同区域在发育过程中展现出显著的生长差异。一个长期困扰神经发育生物学家的核心问题是：为何大脑的前脑区域（Forebrain），尤其是承载高级认知功能的大脑皮层，其体积和细胞数量会远超中脑（Midbrain）和后脑（Hindbrain）？这种精妙的不均衡生长（disproportionate growth）背后，隐藏着怎样的发育蓝图和调控密码？

传统研究多聚焦于基因表达和信号通路对细胞命运决定的调控，然而，这些机制尚不足以完全解释大脑区域性规模差异的成因。近期，瑞士日内瓦大学Denis Jabaudon教授实验室在国际顶尖期刊《Cell》上发表的突破性研究Regional differences in progenitor metabolism shape brain growth during development，为这一经典问题提供了全新的解答视角。

该研究创新性地将目光从传统的遗传指令转向了一个更为基础且动态的层面：细胞代谢。研究团队提出一个大胆的假设：大脑不同区域的生长差异，根源在于神经前体细胞（neural progenitor cells）的代谢状态存在时空异质性。正是这种代谢上的“偏好”，决定了前体细胞的增殖与分化节奏，最终塑造了大脑各区域的宏观结构。

图1 全脑细胞诞生图谱揭示了持续和短暂的神经发生区域

研究人员采用了一种精巧的“出生日期标记”（birthdate labeling）技术。他们在小鼠胚胎发育的关键时间点（E10-17），向孕鼠腹腔注射不同的胸腺嘧啶核苷类似物，包括EdU和Flash tag（FT），EdU指示S期细胞的DNA复制（包括顶端祖细胞（apical progenitors, AP）和中间态祖细胞（intermediate progenitors, IP）及其产生的细胞），FT指示脑室旁边的顶端祖细胞及其产生的细胞。通过结合全脑三维成像和后续的细胞类型鉴定，他们成功构建了一个名为www.neurobirth.org的单细胞分辨率“出生图谱”，能够精确追溯每个神经元的“生日”和“籍贯”。该图谱直观地揭示了不同脑区神经发生的“时间窗口”差异巨大。后脑的神经发生主要集中在发育早期，而前脑则拥有一个显著延长的神经发生周期。这种时间上的差异，根源在于前体细胞分裂模式的不同。前体细胞主要有两种分裂方式即1）消耗性分裂 (Consumptive division): 一个前体细胞直接分裂成两个神经元（或两个中间前体细胞），导致前体细胞库的快速耗尽。研究发现，这种模式在后脑中占据主导地位，解释了其短暂而集中的神经发生过程。2）自我更新性分裂 (Self-replicative division): 一个前体细胞分裂成一个子代前体细胞和一个神经元，从而在产生新神经元的同时，维持了自身群体的规模。这种模式在前脑中更为普遍，使其能够支持长期、持续的神经元生产。

图2 新皮层和后脑顶端祖细胞具有不同的细胞周期行为

之后作者对新皮层和后脑的祖细胞行为和形态进行统计，结果发现，两个区域有丝分裂细胞的比例随着胚胎发育过程而逐渐减少，后脑更加明显。相似地，消耗性分裂的比例逐渐增加，但后脑消耗性分裂的比例明显高于新皮层。细胞周期长度在两个区域都有随着发育时间的延长。值得注意的是，新皮层的线粒体长度明显长于后脑。这提示前后脑发育轨迹的不同可能与线粒体功能及细胞代谢有关。

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图3 AP具有区域特异性进化保守性的分子表征

之后，研究人员在不同发育时期，分别从前脑、中脑和后脑中分离出顶端前体细胞（Apical Progenitors, APs），并对它们进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）。分析结果显示，两类主要的基因表达程序能够解释区域性的分裂模式差异。第一类与细胞周期调控相关，包括G1/S期转化和DNA复制相关基因在前脑高表达，而细胞周期出口基因，即G0期相关基因则在后脑高表达。这符合逻辑，因为细胞分裂本身就受细胞周期蛋白的精密调控。同时，作者采用人类多能干细胞来源的新皮层和后脑的细胞，结果发现多数基因具有保守性。除此之外第二类基因程序，它们广泛地与细胞代谢，特别是与线粒体功能和氧化磷酸化（OXPHOS）相关的通路紧密关联。

图4 新皮层高表达的Fam210b基因促进AP的自我复制型分裂

在这些与细胞代谢相关的差异基因中，作者发现了Fam201b，它在hPSC来源的新皮层中表达量明显高于后脑，因此作者使用了loss-of-function和gain-of-function两种实验条件，即通过宫内胚胎电转的方式敲低或者过表达该基因。首先，在天然高表达FAM210B的前脑（新皮层）区域，利用Crispr技术特异性地敲低FAM210B的表达,结果惊人地发现，抑制FAM210B后，前脑前体细胞的行为模式发生了“后脑化”转变。它们的自我更新分裂显著减少（体现在S期和细胞周期时间缩短），转而进行更多的消耗性分裂。而在后脑进行 Fam201b的过表达，则看到了消耗性分裂减少的现象。

图5 FAM210B控制线粒体长度、乳酸生成和AP克隆大小

之后作者从三个方面研究Fam210b的影响：1）线粒体的形态与代谢2）基因表达3）克隆大小。第一个方面，前脑的线粒体长度更长，并且敲低Fam210b降低线粒体长度，而后脑过表达则增加线粒体长度，同时Fam210b的表达量也跟脑区的乳酸产生具有正相关性。在基因表达层面，作者利用单核RNA测序发现，敲低Fam210b之后会有更少的AP产生，同时与细胞周期相关的基因和编码线粒体蛋白的基因下调。在克隆大小层面，作者利用单细胞RNA测序发现敲低后，一方面减小了整体克隆的大小，另一方面，因为过早的细胞周期退出可能导致分化后细胞维持神经元表征而不是胶质细胞，这两点使得宏观上脑区整体的克隆大小降低。

总结

研究建立了一个清晰的“代谢-分裂-生长”因果链条，将宏观现象与微观机制串联：

1、时空异质性 (Spatiotemporal Heterogeneity): 大脑不同区域的生长差异，其根源在于神经前体细胞在时间（发育窗口）和空间（不同脑区）上的行为模式（分裂方式）存在巨大差异。

2、代谢调控 (Metabolic Regulation): 这种行为差异的核心调控者是细胞代谢状态。前脑前体细胞通过以FAM210B为代表的分子程序，维持一种偏向糖酵解、高乳酸生成的“慢节奏”代谢模式，这种模式有利于维持细胞的“干性”，支持其长时间的自我更新和神经元生产。相反，后脑则采用一种快速消耗前体细胞库的“快节奏”模式。

3、“代谢-分裂-生长”轴: 区域特异性代谢程序 (如FAM210B高表达) → 调控线粒体功能与形态 (伸长) 和代谢产物 (高乳酸) → 影响前体细胞分裂模式 (偏向自我更新) → 决定神经发生的时间窗口 (延长) 和总产量 (增加) → 最终塑造大脑区域的宏观规模 (前脑扩张)。

该项工作对于临床应用也具有启示作用：对理解自闭症谱系障碍、小头畸形等神经发育性疾病具有重要启示。许多这类疾病可能不仅是由于基因缺陷导致的神经元结构或功能异常，更可能是源于发育“节拍”的紊乱。如果某个脑区的前体细胞过早地停止增殖（节拍太快），或过晚地分化（节拍太慢），即便最终生成的神经元类型是正确的，其数量、比例和形成的神经环路也可能出现严重偏差，从而导致功能障碍。这项研究为从“代谢调控”和“发育节拍”的角度探索这些疾病的病理机制和潜在干预策略，开辟了全新的道路。