Nature | 前所未有的体外模型 ——五年人脑类器官揭示表观遗传与转录的时间记忆

撰文丨易

人类大脑的发育与成熟跨越了近二十年的生命历程，其缓慢的时间尺度在动物模型中极难复刻，因为啮齿类等物种的脑发育节奏远快于人类，且物种特异性的出生后脑发育过程无法在常规动物体内研究中被直接解析。虽然人类大脑类器官作为体外模型展现出巨大潜力，但既往研究多局限于模拟胚胎早期阶段，且培养周期通常仅为数月，难以触及漫长出生后成熟过程中细胞内在的时间记录机制。已知人类多能干细胞衍生的各类神经细胞在体外仍保留固有的缓慢成熟时钟，表观遗传屏障与代谢节奏共同制约着这一时间进程，但分子机制尚不明晰。现有类器官研究缺乏单细胞分辨率下跨年尺度的多模态数据，无法确认各类神经元与胶质细胞是否能在体外持续记录并回应时间推移，亦无法回答老化神经祖细胞是否保留对发育时序的记忆。因此，建立可维持数年的皮质类器官体系，整合转录组、表观组、形态与电生理特征，成为揭示人类脑发育时间编码规律的关键突破口。

近日，美国哈佛大学Paola Arlotta在Nature期刊上发表题为Human brain organoids record the passage of time over multiple years的研究论文，将人类大脑类器官在体外成功维持并优化培养至5年，通过多组学与电生理证据证实其能以细胞类型特异的方式在转录与表观遗传层面精确记录时间流逝，且老化神经祖细胞在嵌合重组中可跳过早期发育阶段直接生成晚期神经元，证明类器官保留了内源性的发育时序记忆，为跨越多年的出生后人脑成熟研究提供了前所未有的体外模型。

首先，使用跨越5年以上的人皮质类器官，结合单细胞RNA测序（scRNA-seq）对6个月至5年间的34个单类器官进行深度转录组 测序 ，并与既往15天至6个月的76个数据集整合，构建出涵盖110个独立类器官、总计424,720个细胞的高分辨率时空图谱；同时借力内源人脑参考数据集的标签转移与DIALOGUE成熟模块算法，得到类器官细胞从培养早期（15天 - 2个月）映射至第一孕期、3 - 6个月偏向第二孕期、9个月至5年渐进偏移至出生后特征的转录年龄轨迹，且多细胞程序模块评分与体外时长显著相关，从而证实在分子分类层面，各类细胞以类型特异方式在体外精确重演了体内漫长的发育时钟。

随后，作者利用全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）在3个月至5年共9个时间点系统捕捉DNA甲基化动态，得到全局CpG位点渐进甲基化并达稳态的表观重塑图谱，鉴定出213个年龄相关差异甲基化区域（DMRs）富集于CpG岛与DNA甲基化谷等调控元件，且Horvath泛组织时钟与皮质特异甲基化时钟预测的生物年龄与培养时间高度拟合；进一步伴以非CpG的mCA修饰在1,383个胎儿前脑超级增强子处随培养累积，说明类器官不仅在转录层面，更在表观基因组层面以与活体一致的化学修饰机制“书写”了时间的流逝。

然后，为逆转常规CDM4培养基中兴奋性神经元比例衰减的瓶颈，从体外第70天起引入APM培养基（BrainPhys + GlutaMax），得到9月龄APM类器官SATB2 + 胼胝体投射神经元（CPN）及激活CPN数量较CDM4 显著 提升、1年龄APM突触52%定位于树突棘（CDM4仅25%）且突触密度显著增高、神经元总突起长度攀升，且直至2年仍呈现异质性亚群网络爆发的功能性结果；这进一步从超微结构、形态树突化与电路电生理三维尺度总结出APM通过允许自发锋电位维持了多年度功能性神经回路的完整性，并借scRNA-seq证实APM选择性扩增放射胶质增殖而护持兴奋神经元稳态。

进一步，作者在嵌合模型建构中，将体外老化9 - 12个月的神经祖细胞与第15天年轻祖细胞异时重组，通过供体谱系标记（PGP1与GM系）与scRNA-seq溯源，得到老旧祖细胞在年轻微环境诱导下跳过亚板/放射胶质早期阶段、直接产出占近49.0%的CPN而单时嵌合仅产胶质命运的跃迁结果；该层次证明老化祖细胞保留了体外培养时长的发育记忆，能召回已完成的早期步骤而直抵晚期谱系，且小鼠异时嵌合体交叉验证支持该时间记忆在物种间的保守雏形。

最终，跨越转录、表观、形态、电生理及嵌合重编程五大模态的数据链条总结认为：人类大脑类器官能够以细胞自主方式在体外跨越多年记录并召回发育时间，这种内源性时间感知机制模拟了人体内源时钟，为既往无法触及的出生后脑成熟与细胞时序决策研究提供了可操控、高分辨率的体外映射系统，也重新定义了类器官作为活体时间记录仪的模型边界。

综上所述，本研究突破性地实现了人类大脑类器官长达5年的体外培养，并通过培养基的优化显著延长了兴奋性神经元的存活与功能维持。研究证实类器官在转录与表观遗传层面以细胞类型特异的方式精确模拟了体内发育的时间轴，其预测的表观基因组年龄与体外培养时长高度吻合。尤为关键的是，异时嵌合实验揭示老化的神经祖细胞保留了体外时间记忆，能够跳过早期命运直接生成晚期神经元，从而有力证明人类大脑类器官不仅是记录时间流逝的活体时钟，更为既往难以触及的出生后脑发育机制研究提供了前所未有的体外平台。

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10877-x

制版人： 十一

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