2022年9月2日，由杭州華大生命科學(xué)研究院主導(dǎo)，聯(lián)合來(lái)自3個(gè)國(guó)家的17個(gè)單位的科學(xué)家共同組成的研究團(tuán)隊(duì)在Science期刊發(fā)表了題為 Single-cell Stereo-seq reveals induced progenitor cells involved in axolotl brain regeneration 的研究論文。該研究利用最新研發(fā)的時(shí)空轉(zhuǎn)錄組技術(shù)（Stereo-seq）對(duì)墨西哥鈍口螈端腦再生機(jī)制進(jìn)行了深入的研究。首次繪制了再生模式動(dòng)物的大腦時(shí)空單細(xì)胞圖譜，并進(jìn)一步在時(shí)空轉(zhuǎn)錄組水平描述了端腦再生過(guò)程，詳細(xì)解析了墨西哥鈍口螈端腦再生的細(xì)胞和分子機(jī)制，對(duì)理解哺乳動(dòng)物大腦再生研究具有重要的指導(dǎo)意義。

      該研究通過(guò)對(duì)所獲數(shù)據(jù)的大規(guī)模整合分析，獲得了一系列端腦發(fā)育與再生的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜（Axolotl Regenerative Telencehpalon Interpretation via Spatiotemporal Transcriptomic Atlas，ARTISTA）。

      ARTISTA是一個(gè)空間解析的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)資源，可以在單細(xì)胞分辨率上可視化蠑螈端腦再生和發(fā)育階段的基因表達(dá)，旨在為蠑螈大腦神經(jīng)再生的分子事件提供系統(tǒng)的解剖，為進(jìn)一步的機(jī)制研究奠定基礎(chǔ)?；诖藢］嫈?shù)據(jù)庫(kù)，研究人員可以在空間圖譜中快速探索他們感興趣的細(xì)胞類型在端腦蠑螈不同再生發(fā)育階段的基因表達(dá)譜。

      用戶可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)主頁(yè)面或?qū)Ш綑?，快速獲取此項(xiàng)研究的內(nèi)容梗概、時(shí)空組聚類分析結(jié)果、研究技術(shù)（Stereo-seq）簡(jiǎn)介、研究中使用分析軟件及產(chǎn)生的數(shù)據(jù)資源信息，同時(shí)還能直接下載研究數(shù)據(jù)。

      【訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)】搜索引擎搜索關(guān)鍵詞“國(guó)家基因庫(kù)生命大數(shù)據(jù)平臺(tái)” → 點(diǎn)擊導(dǎo)航欄“Scientific database” → 點(diǎn)擊“STOMICS DataBase” → Collections → ARTISTA

      技術(shù)的發(fā)展讓本研究的推進(jìn)成為可能，“本研究主要基于華大自主研發(fā)的時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq進(jìn)行，其達(dá)到了納米級(jí)亞細(xì)胞分辨率，結(jié)合蠑螈細(xì)胞體積大的優(yōu)勢(shì)，使得研究人員可以在時(shí)空單細(xì)胞分辨率上解析蠑螈腦再生這一過(guò)程的重要細(xì)胞類型，并追蹤其細(xì)胞譜系變化的空間軌跡?！闭撐牡牡谝蛔髡?、杭州華大生命科學(xué)研究院魏小雨博士介紹說(shuō)。

      “蠑螈腦發(fā)育及再生時(shí)空細(xì)胞圖譜的構(gòu)建，對(duì)于我們理解腦再生這一重要的生命過(guò)程、兩棲類動(dòng)物腦結(jié)構(gòu)以及大腦結(jié)構(gòu)的演化具有重要意義，為我們尋找有效的臨床治療方法，促進(jìn)人類組織器官自我修復(fù)與再生提供了新的方向，也為物種進(jìn)化研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源?！闭撐牡墓餐ㄓ嵶髡?、華大生命科學(xué)研究院院長(zhǎng)徐訊表示，“未來(lái)，我們還將通過(guò)時(shí)空多組學(xué)技術(shù)去探究更多器官、更多物種的發(fā)育和再生過(guò)程，找到再生過(guò)程中的關(guān)鍵調(diào)控機(jī)制，助力人類再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展?！?

      以下是此項(xiàng)研究的主要研究思路及結(jié)果，讀者可結(jié)合ARTISTA快速獲取文獻(xiàn)概要、研究數(shù)據(jù)、分析工具、數(shù)據(jù)可視化分析結(jié)果等關(guān)鍵信息。

      研究背景

      大腦是人體最復(fù)雜且最為神秘的器官，在調(diào)控運(yùn)動(dòng)、感覺(jué)以及認(rèn)知、情感等高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)中發(fā)揮核心作用。然而，大腦在遭受由創(chuàng)傷、中風(fēng)及神經(jīng)退行性疾病等所引發(fā)的神經(jīng)元損傷后，由于其自我修復(fù)能力低下，且缺乏有效的臨床治療手段，大多最終導(dǎo)致大腦功能（部分）喪失。如何在大腦受損后促進(jìn)其再生修復(fù)，從而恢復(fù)正常的功能是亟待解決的生物學(xué)及醫(yī)學(xué)難題。攻克這一難題的限制因素之一是我們對(duì)腦再生機(jī)制缺乏足夠的理解。

      目前大腦損傷再生機(jī)制研究大多以哺乳動(dòng)物為模型，但哺乳動(dòng)物組織器官，尤其是包括大腦在內(nèi)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的再生能力極為有限，大大限制了對(duì)腦再生的細(xì)胞和分子機(jī)制的研究。與高等哺乳動(dòng)物不同，兩棲類模式動(dòng)物墨西哥鈍口螈 (Ambystoma mexicanum) 具有強(qiáng)大的再生能力，能夠再生包括腦在內(nèi)的多種組織器官，其端腦在受損后可以在形態(tài)及功能水平上近乎完美的再生。并且蠑螈的端腦在進(jìn)化上較貼近高等哺乳動(dòng)物，具有與高等動(dòng)物較為相似的細(xì)胞學(xué)構(gòu)成及解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，因此墨西哥鈍口螈是一種研究腦再生機(jī)制的理想動(dòng)物模型。

      研究結(jié)果

      為了深入研究墨西哥鈍口螈端腦再生的細(xì)胞和分子機(jī)制，并探討其與發(fā)育的關(guān)系，研究人員收集了不同損傷再生階段（7個(gè)再生階段）和發(fā)育時(shí)期（6個(gè)發(fā)育時(shí)期）的端腦樣本。

      利用華大自主研發(fā)的Stereo-seq技術(shù)，獲取了能夠覆蓋整個(gè)端腦切片的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。得益于Stereo-seq技術(shù)所具有的單細(xì)胞分辨率優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蠑螈大腦發(fā)育、再生過(guò)程中單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的原位捕獲及分析。

      通過(guò)對(duì)所獲數(shù)據(jù)的大規(guī)模整合分析，獲得了一系列端腦發(fā)育與再生的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜。

      首先針對(duì)腦發(fā)育過(guò)程的分子細(xì)胞動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，通過(guò)無(wú)偏差聚類分析及細(xì)胞類型鑒定，研究人員在發(fā)育時(shí)期的樣本中共鑒別出33種端腦細(xì)胞類型，并闡述了它們?cè)诓煌l(fā)育時(shí)期端腦的動(dòng)態(tài)分布特點(diǎn)。其中需要特別指出的是具有干細(xì)胞屬性的室管膜膠質(zhì)細(xì)胞（EGC），根據(jù)其基因表達(dá)特征可以分為四個(gè)亞型：dEGC, wntEGC, sfrpEGC和ribEGC。dEGC主要存在于發(fā)育早期，并隨著發(fā)育逐漸減少，到j(luò)uvenile時(shí)期基本消失。但分布在室管膜的不同區(qū)域的另外三個(gè)亞型從stage54開(kāi)始出現(xiàn)后，持續(xù)存在于成體階段；進(jìn)一步的GO分析顯示它們分別處于不同的狀態(tài)，可能與其在大腦穩(wěn)態(tài)維持中各自不同的功能直接相關(guān)。

      為了明確腦再生的分子細(xì)胞學(xué)機(jī)制，進(jìn)一步對(duì)腦再生過(guò)程中的細(xì)胞及分子動(dòng)態(tài)變化展開(kāi)研究。在端腦多個(gè)再生階段樣本中共鑒別出28種細(xì)胞類型。通過(guò)與發(fā)育及再生時(shí)期出現(xiàn)的神經(jīng)元進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)在損傷早期的創(chuàng)口附近存在一群與發(fā)育中神經(jīng)發(fā)生高度相似的非成熟神經(jīng)元。根據(jù)其所處位置及基因表達(dá)特點(diǎn)，表明是損傷再生信號(hào)誘導(dǎo)了神經(jīng)元的命運(yùn)重編程——從成熟的神經(jīng)元轉(zhuǎn)換為不成熟狀態(tài)，這一轉(zhuǎn)換可能更加有利于為之后的新生神經(jīng)元提供良好的神經(jīng)環(huán)路整合條件。更值得注意的是，研究人員在再生階段的細(xì)胞類型中，鑒定出了一種再生特異的室管膜膠質(zhì)細(xì)胞亞型reaEGC。reaEGC與發(fā)育過(guò)程中所鑒定的其他EGC細(xì)胞類型均不同，但是與發(fā)育最早期出現(xiàn)的dEGC亞型在基因表達(dá)指紋上最為相似。分析表明它們是傷口附近存在的EGC細(xì)胞亞型，被損傷再生特異性反應(yīng)激活并發(fā)生命運(yùn)重編，轉(zhuǎn)換為類似于胚胎發(fā)育早期的狀態(tài)，進(jìn)一步進(jìn)行快速增殖并覆蓋傷口。利用Stereo-seq的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在空間原位上對(duì)腦再生關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)（損傷后15天）進(jìn)行細(xì)胞譜系動(dòng)態(tài)分析，表明reaEGC可能通過(guò)生成中間前體細(xì)胞，非成熟神經(jīng)元進(jìn)而轉(zhuǎn)換為成熟神經(jīng)元的過(guò)程來(lái)補(bǔ)充丟失的神經(jīng)元，實(shí)現(xiàn)大腦再生。

      基于以上的發(fā)現(xiàn)，最后，研究人員比較了腦發(fā)育與腦再生的相關(guān)性。通過(guò)分析端腦發(fā)育及再生過(guò)程中相關(guān)細(xì)胞類型的狀態(tài)、空間分布，并結(jié)合神經(jīng)發(fā)生及再生過(guò)程中細(xì)胞譜系關(guān)系與基因動(dòng)態(tài)表達(dá)變化，表明蠑螈端腦再生與發(fā)育過(guò)程具有高度的相似性，揭示端腦再生在一定程度上是其發(fā)育過(guò)程的重啟。該研究首次獲得了單細(xì)胞水平上的蠑螈端腦發(fā)育和再生的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，鑒定了端腦損傷再生過(guò)程中的關(guān)鍵細(xì)胞類型和分子特征，并明確了腦再生和發(fā)育的本質(zhì)相關(guān)性。基于此研究的進(jìn)一步工作，可能為改善哺乳動(dòng)物大腦有限的再生能力提供新的思路。此外，蠑螈作為進(jìn)化關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的脊椎動(dòng)物，其腦單細(xì)胞空間圖譜還可為研究脊椎動(dòng)物腦的發(fā)育，再生和進(jìn)化提供重要的數(shù)據(jù)。

      本次研究由杭州華大生命科學(xué)研究院主導(dǎo)，聯(lián)合深圳華大生命科學(xué)研究院、青島華大基因研究院、廣東省人民醫(yī)院、華南師范大學(xué)、武漢大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、深圳灣實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)Whitehead生物醫(yī)學(xué)研究所、丹麥哥本哈根大學(xué)等來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、丹麥3個(gè)國(guó)家的17家單位共同合作完成。研究已通過(guò)倫理審查，嚴(yán)格遵循相應(yīng)法規(guī)和倫理準(zhǔn)則。實(shí)驗(yàn)使用的墨西哥鈍口螈為實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)而來(lái)。

      參考文獻(xiàn)：

      https://doi.org/10.1126/science.abp9444