摘要：本研究揭示了小鼠端腦GABA能神經(jīng)元發(fā)育過程中前體細(xì)胞分化能力與成熟能力的時(shí)序調(diào)控機(jī)制。
在哺乳動(dòng)物大腦發(fā)育過程中，GABA能抑制性神經(jīng)元的多樣性產(chǎn)生是一個(gè)精妙調(diào)控的過程。這些神經(jīng)元主要來源于腹側(cè)端腦的神經(jīng)節(jié)隆起(Ganglionic Eminence, GE)，但科學(xué)家們長(zhǎng)期以來對(duì)前體細(xì)胞如何協(xié)調(diào)產(chǎn)生如此多樣的神經(jīng)元亞型存在疑問。更具體地說，研究者們想知道：前體細(xì)胞產(chǎn)生不同神經(jīng)元亞型的能力（分化能力）和調(diào)控新生神經(jīng)元成熟速度的能力（成熟能力）是如何隨時(shí)間變化的？這個(gè)問題對(duì)于理解大腦皮層興奮-抑制平衡的建立至關(guān)重要。
圖1 時(shí)序調(diào)控祖細(xì)胞潛能決定小鼠GABA能神經(jīng)元發(fā)育的成熟過程Max Planck Society的研究團(tuán)隊(duì)在《Nature Neuroscience》發(fā)表的研究中，通過多組學(xué)方法揭示了這一過程的分子機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)雖然GE前體細(xì)胞在整個(gè)發(fā)育過程中保持穩(wěn)定的分化能力，能夠持續(xù)產(chǎn)生相同的神經(jīng)元亞型，但這些神經(jīng)元亞型的成熟速度卻會(huì)隨著發(fā)育階段而變化。這種"成熟能力"的時(shí)序變化主要由染色質(zhì)重塑和NFIB轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)。
研究人員主要采用了以下關(guān)鍵技術(shù)方法：1) FlashTag(FT)熒光標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行發(fā)育階段特異性細(xì)胞標(biāo)記；2) 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序(scRNA-seq)和單細(xì)胞染色質(zhì)可及性分析(scATAC-seq)揭示分子特征；3) TrackerSeq譜系追蹤技術(shù)分析克隆發(fā)育；4) 子宮內(nèi)電轉(zhuǎn)(IUE)進(jìn)行基因操作；5) CUT&RUN技術(shù)分析轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)。
研究結(jié)果主要包含以下幾個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：
"背腹側(cè)分化能力的差異"部分顯示，與背側(cè)皮層前體細(xì)胞不同，腹側(cè)GE前體細(xì)胞在整個(gè)神經(jīng)發(fā)生過程中保持穩(wěn)定的分化能力，能夠持續(xù)產(chǎn)生相同的神經(jīng)元亞型。通過比較e12.5-e16.5不同發(fā)育階段的細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)背側(cè)前體細(xì)胞會(huì)隨時(shí)間逐步改變其分化能力，而腹側(cè)前體細(xì)胞則保持穩(wěn)定。
"克隆多樣性在神經(jīng)發(fā)生過程中持續(xù)存在"部分通過TrackerSeq技術(shù)證實(shí)，無論是早期(e12.5)還是晚期(e16.5)的GE前體細(xì)胞，都能產(chǎn)生多樣化的神經(jīng)元克隆，且這種能力不隨發(fā)育階段改變。
圖2 GABA能神經(jīng)元祖細(xì)胞穩(wěn)定維持分化潛能
"早晚期出生神經(jīng)元的成熟差異"部分利用FT標(biāo)記技術(shù)發(fā)現(xiàn)，晚期出生的神經(jīng)元(e16.5)在出生后6小時(shí)就能達(dá)到與早期神經(jīng)元(e12.5)出生后96小時(shí)相似的成熟狀態(tài)，表明其成熟速度顯著加快。
"成熟轉(zhuǎn)變與染色質(zhì)可及性的相關(guān)性"部分通過scATAC-seq分析揭示，這種成熟能力的差異與發(fā)育階段特異的染色質(zhì)可及性變化相關(guān)，特別是在遠(yuǎn)端調(diào)控元件區(qū)域。
"NFIB調(diào)控成熟能力的基因網(wǎng)絡(luò)"部分鑒定出NFIB轉(zhuǎn)錄因子是調(diào)控晚期神經(jīng)元成熟能力的關(guān)鍵因子。SCENIC+分析顯示NFIB與TCF4、MEIS2等轉(zhuǎn)錄因子形成調(diào)控模塊，共同控制神經(jīng)元成熟相關(guān)基因的表達(dá)。
"外在環(huán)境對(duì)成熟能力的影響"部分通過異時(shí)移植實(shí)驗(yàn)證明，晚期胚胎環(huán)境能加速早期前體細(xì)胞來源神經(jīng)元的成熟，表明外在信號(hào)也參與調(diào)控這一過程。
"NFIB功能驗(yàn)證"部分通過基因敲除和過表達(dá)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，NFIB確實(shí)調(diào)控神經(jīng)元成熟過程。敲除Nfib/x導(dǎo)致神經(jīng)元成熟延遲，而過表達(dá)則加速這一過程。
這項(xiàng)研究的重要意義在于首次系統(tǒng)闡明了前體細(xì)胞分化能力與成熟能力的分離調(diào)控機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)雖然GE前體細(xì)胞能持續(xù)產(chǎn)生相同的神經(jīng)元亞型（穩(wěn)定的分化能力），但這些神經(jīng)元的成熟速度會(huì)隨發(fā)育階段而改變（動(dòng)態(tài)的成熟能力）。這種成熟能力的時(shí)序變化主要由NFIB轉(zhuǎn)錄因子網(wǎng)絡(luò)和染色質(zhì)重塑驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也受到外在環(huán)境信號(hào)的調(diào)節(jié)。這一發(fā)現(xiàn)為理解大腦發(fā)育過程中神經(jīng)元多樣性的產(chǎn)生提供了新視角，特別是解釋了晚期出生的神經(jīng)元如何通過加速成熟來適應(yīng)有限的發(fā)育時(shí)間窗口。研究建立的交互式網(wǎng)絡(luò)資源（https://mayerlab.net/mouse-inhibitory-neuron-development/）為領(lǐng)域內(nèi)研究者提供了寶貴的數(shù)據(jù)平臺(tái)，將促進(jìn)對(duì)GABA能神經(jīng)元發(fā)育機(jī)制的進(jìn)一步探索。這些發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)神經(jīng)發(fā)育基礎(chǔ)過程的理解，也可能為相關(guān)神經(jīng)發(fā)育疾病的機(jī)制研究提供新思路。
參考資料
[1] Temporal control of progenitor competence shapes maturation in GABAergic neuron development in mice
摘要：本研究揭示了小鼠端腦GABA能神經(jīng)元發(fā)育過程中前體細(xì)胞分化能力與成熟能力的時(shí)序調(diào)控機(jī)制。
在哺乳動(dòng)物大腦發(fā)育過程中，GABA能抑制性神經(jīng)元的多樣性產(chǎn)生是一個(gè)精妙調(diào)控的過程。這些神經(jīng)元主要來源于腹側(cè)端腦的神經(jīng)節(jié)隆起(Ganglionic Eminence, GE)，但科學(xué)家們長(zhǎng)期以來對(duì)前體細(xì)胞如何協(xié)調(diào)產(chǎn)生如此多樣的神經(jīng)元亞型存在疑問。更具體地說，研究者們想知道：前體細(xì)胞產(chǎn)生不同神經(jīng)元亞型的能力（分化能力）和調(diào)控新生神經(jīng)元成熟速度的能力（成熟能力）是如何隨時(shí)間變化的？這個(gè)問題對(duì)于理解大腦皮層興奮-抑制平衡的建立至關(guān)重要。
圖1 時(shí)序調(diào)控祖細(xì)胞潛能決定小鼠GABA能神經(jīng)元發(fā)育的成熟過程Max Planck Society的研究團(tuán)隊(duì)在《Nature Neuroscience》發(fā)表的研究中，通過多組學(xué)方法揭示了這一過程的分子機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)雖然GE前體細(xì)胞在整個(gè)發(fā)育過程中保持穩(wěn)定的分化能力，能夠持續(xù)產(chǎn)生相同的神經(jīng)元亞型，但這些神經(jīng)元亞型的成熟速度卻會(huì)隨著發(fā)育階段而變化。這種"成熟能力"的時(shí)序變化主要由染色質(zhì)重塑和NFIB轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)。
研究人員主要采用了以下關(guān)鍵技術(shù)方法：1) FlashTag(FT)熒光標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行發(fā)育階段特異性細(xì)胞標(biāo)記；2) 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序(scRNA-seq)和單細(xì)胞染色質(zhì)可及性分析(scATAC-seq)揭示分子特征；3) TrackerSeq譜系追蹤技術(shù)分析克隆發(fā)育；4) 子宮內(nèi)電轉(zhuǎn)(IUE)進(jìn)行基因操作；5) CUT&RUN技術(shù)分析轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)。
研究結(jié)果主要包含以下幾個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：
"背腹側(cè)分化能力的差異"部分顯示，與背側(cè)皮層前體細(xì)胞不同，腹側(cè)GE前體細(xì)胞在整個(gè)神經(jīng)發(fā)生過程中保持穩(wěn)定的分化能力，能夠持續(xù)產(chǎn)生相同的神經(jīng)元亞型。通過比較e12.5-e16.5不同發(fā)育階段的細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)背側(cè)前體細(xì)胞會(huì)隨時(shí)間逐步改變其分化能力，而腹側(cè)前體細(xì)胞則保持穩(wěn)定。
"克隆多樣性在神經(jīng)發(fā)生過程中持續(xù)存在"部分通過TrackerSeq技術(shù)證實(shí)，無論是早期(e12.5)還是晚期(e16.5)的GE前體細(xì)胞，都能產(chǎn)生多樣化的神經(jīng)元克隆，且這種能力不隨發(fā)育階段改變。
圖2 GABA能神經(jīng)元祖細(xì)胞穩(wěn)定維持分化潛能
"早晚期出生神經(jīng)元的成熟差異"部分利用FT標(biāo)記技術(shù)發(fā)現(xiàn)，晚期出生的神經(jīng)元(e16.5)在出生后6小時(shí)就能達(dá)到與早期神經(jīng)元(e12.5)出生后96小時(shí)相似的成熟狀態(tài)，表明其成熟速度顯著加快。
"成熟轉(zhuǎn)變與染色質(zhì)可及性的相關(guān)性"部分通過scATAC-seq分析揭示，這種成熟能力的差異與發(fā)育階段特異的染色質(zhì)可及性變化相關(guān)，特別是在遠(yuǎn)端調(diào)控元件區(qū)域。
"NFIB調(diào)控成熟能力的基因網(wǎng)絡(luò)"部分鑒定出NFIB轉(zhuǎn)錄因子是調(diào)控晚期神經(jīng)元成熟能力的關(guān)鍵因子。SCENIC+分析顯示NFIB與TCF4、MEIS2等轉(zhuǎn)錄因子形成調(diào)控模塊，共同控制神經(jīng)元成熟相關(guān)基因的表達(dá)。
"外在環(huán)境對(duì)成熟能力的影響"部分通過異時(shí)移植實(shí)驗(yàn)證明，晚期胚胎環(huán)境能加速早期前體細(xì)胞來源神經(jīng)元的成熟，表明外在信號(hào)也參與調(diào)控這一過程。
"NFIB功能驗(yàn)證"部分通過基因敲除和過表達(dá)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，NFIB確實(shí)調(diào)控神經(jīng)元成熟過程。敲除Nfib/x導(dǎo)致神經(jīng)元成熟延遲，而過表達(dá)則加速這一過程。
這項(xiàng)研究的重要意義在于首次系統(tǒng)闡明了前體細(xì)胞分化能力與成熟能力的分離調(diào)控機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)雖然GE前體細(xì)胞能持續(xù)產(chǎn)生相同的神經(jīng)元亞型（穩(wěn)定的分化能力），但這些神經(jīng)元的成熟速度會(huì)隨發(fā)育階段而改變（動(dòng)態(tài)的成熟能力）。這種成熟能力的時(shí)序變化主要由NFIB轉(zhuǎn)錄因子網(wǎng)絡(luò)和染色質(zhì)重塑驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也受到外在環(huán)境信號(hào)的調(diào)節(jié)。這一發(fā)現(xiàn)為理解大腦發(fā)育過程中神經(jīng)元多樣性的產(chǎn)生提供了新視角，特別是解釋了晚期出生的神經(jīng)元如何通過加速成熟來適應(yīng)有限的發(fā)育時(shí)間窗口。研究建立的交互式網(wǎng)絡(luò)資源（https://mayerlab.net/mouse-inhibitory-neuron-development/）為領(lǐng)域內(nèi)研究者提供了寶貴的數(shù)據(jù)平臺(tái)，將促進(jìn)對(duì)GABA能神經(jīng)元發(fā)育機(jī)制的進(jìn)一步探索。這些發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)神經(jīng)發(fā)育基礎(chǔ)過程的理解，也可能為相關(guān)神經(jīng)發(fā)育疾病的機(jī)制研究提供新思路。
參考資料
[1] Temporal control of progenitor competence shapes maturation in GABAergic neuron development in mice
