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心脏病如何影响脑发育,科学家发现脑膜存在神

发布时间:2019-08-16 16:57编辑:生命科学浏览(133)

    成年神经干细胞是否再生仍旧存在争议。尽管已经有很多的证据支持在海马齿状回、脑室下区、纹状体等区域存在神经再生,而且内源性的神经祖细胞在脑损伤时会迁移到损伤部位参与神经修复。神经祖细胞一直是研究热点,因为对于临床的诱惑太大,很多神经系统疾病都期待于神经干细胞的治疗,如脑损伤、脊髓损伤、神经变性病、脱髓鞘疾病等。

    心脏病如何影响脑发育 先心病研究为潜在疗法铺平道路

    中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所罗振革研究组于8月9日在eLife 杂志上发表了一篇题为《类人类特异基因TBC1D3促进小鼠皮层基底神经前体细胞产生及沟回形成》的文章。

    大脑是人体中最复杂的器官,其复杂性远远超出了我们当前的认识能力。其中,人脑前额叶皮层是人类大脑高级功能的关键组成部分,参与记忆形成、短期储存以及调取功能、语言功能、情绪的调节等功能。要理解人脑是怎样工作的,一个必备的基础是详细精准的人类大脑“细胞类型图谱”。至今我们对于人脑的前额叶到底由哪些细胞组成、这些细胞又是如何在胚胎发育过程中产生的这些关键的脑科学问题知之甚少。

    今天介绍的这项研究发现了在围生期大脑的脑膜上也存在神经祖细胞,而且这种神经祖细胞能够迁移到皮层形成成熟的功能性神经元。

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    智力的进化与哺乳动物大脑新皮层的增厚息息相关,这个过程离不开皮层神经元数量的增加。皮层神经元的增加源于神经发生时程变长以及神经干细胞和前体细胞的增殖能力的增强;与此平行的大脑皮层通过形成沟回让有限的颅骨空间内表面积进一步增大。近期的跨物种研究显示灵长类皮层在亚脑室外区进化出新的神经发生区,此区域包含大量的具有增殖能力的基底神经祖细胞以及神经元。然而BP细胞的产生和皮层沟回之间的因果关系仍然不明。

    2018年3月14日,北京大学北京未来基因诊断高精尖创新中心、生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬研究组与中国科学院生物物理研究所王晓群研究组,携手北京大学第三医院乔杰研究组和首都医科大学附属安贞医院张军研究组联合在国际著名学术期刊Nature上在线发表了题为“A single-cell RNA-seq survey of the developmental landscape of the human prefrontal cortex”的文章。该研究利用单细胞转录组测序手段,绘制了人脑前额叶胚胎发育过程的单细胞转录组图谱,解析了人类胚胎大脑前额叶发育的细胞类型多样性及不同细胞类型之间的发育关系,揭示了神经元产生和环路形成的分子调控机制,并对其中关键的细胞类型进行了系统的功能研究,为绘制最终完整的人脑细胞图谱奠定了重要的基础。

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    接受心脏手术后的婴儿。图片来源: Alamy Stock Photo

    基因拷贝数的增加在大脑进化过程中起到至关重要的作用,尤其是人类特异基因的拷贝数增加可能会对皮层沟回的复杂化产生影响。人特异基因TBC1D3在人类进化时发生了拷贝数的增加,但是其对大脑发育的影响至今没有得到系统的研究分析。罗振革组的研究人员发现通过胚胎电转的方法在小鼠大脑皮层表达TBC1D3可以促进皮层脑室区放射状胶质神经干细胞从脑室的迁离,在亚脑室及其外侧皮层形成一类新的可以自我更新的神经祖细胞,这类祖细胞具有与灵长类大脑特有的亚脑室外区放射状胶质神经干细胞相似的形态和分裂行为,而这类oRG细胞被认为对进化中大脑皮层的增厚及沟回的复杂化起重要作用。此外,在培养的人类大脑切片中下调TBC1D3基因的表达能够降低oRG细胞的产生。值得关注的是,无论是在小鼠胚胎电转还是在转基因小鼠中局部的oRG扩增都经常会引起皮层相应区域形成沟回。综述,该研究发现并确认了这种可以调控oRG产生进而调节皮层扩增与沟回形成的人特异基因。此研究中构建的转基因小鼠为研究皮层沟回与大脑高级功能的联系提供了一种可行工具。

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    首先,研究人员采用慢病毒表达的 CherryRed 标记脑膜的干细胞,然后观测这些细胞在脑室下区、皮层的分布。他们发现随着时间的推移,脑膜上 CherryRed 标记的细胞会逐渐的出现在 SVZ 和皮层。需要注意的是 CherryRed 并不标记脑实质和室管膜细胞,这是研究的前提。

    很多儿童患有先天性心脏病,在美国,这是最常见的出生缺陷之一。这些患儿不仅心脏有功能障碍,也容易出现行为、思维和学习等中枢神经系统功能异常。现在,研究人员首次揭示了心脏畸形诱发的大脑缺氧如何阻碍新生儿的大脑发育。这为研发能在婴儿出生前使用的潜在疗法铺平了道路。

    此项研究主要是由罗振革组的研究生居相春和侯琼琼共同完成,同时获得了中科院内外多名研究人员的帮助。该课题的经费支持来源于国家重点基础研究项目、国家自然科学基金以及中科院先导项目。

    人脑前额叶细胞发育图示

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    波士顿儿童医院儿童神经病学家 Caitlin Rollins 认为,该结果非常令人激动,对理解这种脑损伤发生的分子和细胞机制提供了思路,将有助于研发给孕妇使用的药物,从而阻断这一病变过程。

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    这项研究发现,在动态发育的人类胚胎前额叶皮层中,主要由神经干细胞、兴奋性神经元、抑制性神经元、星型胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞等六大类细胞组成。这六大类细胞可以进一步地划分为35个独立的细胞亚型,存在各自关键的基因表达特征及重要生物学含义,为未来对这些细胞类型的后续研究提供了高精度无偏的分子图谱。该研究利用拟时间等算法重构了这些神经细胞类型之间的发育谱系关系,发现在前额叶皮层中的神经干细胞是一个具有高度复杂的异质性的功能细胞群体,在不同的胚胎发育阶段分别分化成神经元细胞、星型胶质细胞和少突胶质细胞。通过更深入的功能分析,研究人员发现了与神经干细胞对称分裂、神经元发生、胶质细胞发生这三个重要神经发育事件密切相关的一系列关键基因表达特征,并进行了深入、系统的实验验证。

    空间解剖学证据:接下来,研究人员研究了到底这些脑膜细胞是如何迁移到皮层的,他们发现了这些细胞经过侧脑室的脉络组织进行迁移。

    CHD患者由于心脏功能不足,造成氧气向大脑的运输效率下降,氧气无法满足胎儿大脑基本需求,从而造成脑缺氧。脑缺氧是脑损伤的主要原因,以至于在三月胎龄就可以用核磁共振成像发现胎儿大脑异常,而心脏异常可用常规超声检查发现。但一直到最近,科学家仍然不清楚造成胎儿大脑发育障碍的内在细胞学基础。

    TBC1D3促进皮层沟回形成模式图。TBC1D3通过降低vRG细胞中的N-cadherin引起vRG细胞迁离脑室形成类似oRG的细胞,同时激活Ras/ERK等细胞干性相关信号通路,进而促进此类oRG细胞的增殖,产生更多的oRG或中间前体细胞,导致区域性神经元密度的增加,从而引起小鼠大脑皮层产生沟回。

    在人类神经干细胞的研究中,虽然近些年来主要研究集中在RG细胞或oRG细胞上,但是中间前体细胞IPC对于神经发生、特别是灵长类动物的神经发生同样起着重要的作用。通过系统的数据分析和多层次的实验验证,研究人员提出IPC的产生具有两个关键爆发期,一个是在胚胎发育10周左右,这些IPC主要由RG大量产生,而另一个峰值则发生在胚胎发育16周左右,这些IPC由oRG大量产生。正是通过IPC的这两个爆发期的形成,数量庞大的神经元才能在短暂的大脑皮层发育时期内快速生成,并形成了结构复杂、功能丰富的前额叶皮层。

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    华盛顿国家儿童健康系统科学家让小猪持续处于低氧状态,结果发现动物大脑病变和人类CHD后脑损伤病理类型一致。在猪崽出生后两天,研究人员给动物注射荧光细胞标记物,这种标记物能对大脑室下区细胞进行标记。哺乳动物新生儿脑室下区是最大的神经干细胞聚集区,干细胞从这里向多个脑区迁移并分化成多种类型的神经组织细胞。

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    时间动态迁移证据:研究人员对这类脑膜细胞在何时迁移到皮层的问题进行了研究。发现了这类细胞在胚胎发生的 14.5 和 16.5 天产生,之后保持静息状态,而在出生后第 1 天逐渐迁移到皮层,而且以 III、IV 层为主。此外,这些脑膜中迁移来的细胞还表达 DCX、NeuN 和 Satb2 等神经元和神经祖细胞的标记物。

    之后,研究人员给动物呼吸氧气浓度10.5%的气体,这约为空气中氧气浓度的一半。到出生后14天,研究人员分析了这些动物的脑组织。而对照组动物连续呼吸正常空气,其他操作一样。此外,研究人员对出生后0~36天内,4名死于CHD和5名死于其他原因的人类患儿的脑组织进行了对比研究。

    前额叶皮层神经元产生的两个关键爆发期

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    结果显示,在出生后1周,猪的脑室下区神经干细胞生成的神经元会迁徙到前额皮层。研究论文近日发表在《科学—转化医学》杂志。在人脑中,前额皮层主要负责高级思维。这些细胞主要分化为中间神经元,中间神经元一般是抑制神经元,能抑制兴奋性神经元。兴奋和抑制平衡是做出判断、综合事实和解决问题等高级大脑功能正常实现的重要前提。

    在前额叶皮层中起着尤为关键作用的是众多的神经元细胞,在过去的认识中,我们只知道绝大部分的新生神经元在人类胎儿出生前已经开始分化和迁移,但对这些关键的神经发育事件的具体发生时间却知之甚少。研究人员通过对神经元单细胞转录组数据的系统分析和深度挖掘,首次揭示了在人类大脑前额叶皮层发育过程中兴奋性神经元生成、迁移和成熟的三个关键阶段:(一)8-12周神经干细胞大量增殖阶段;(二)13-16周神经干细胞分化并大量产生新生神经元同时伴随着新生神经元的迁移阶段;(三)19-26周,神经元开始逐渐成熟,表达关键功能蛋白并初步形成有功能的神经网络的阶段。神经元细胞形成具有功能的神经网络的过程是大脑发育的一个非常重要的阶段,王晓群研究组利用电生理等手段对人类围产期26周的前额叶皮层进行了深入的功能研究,发现在前额叶皮层中很多神经元已经具备了正常发放钠钾电流的能力,在深层脑区的神经元更是具备了发放EPSC和IPSC等功能。

    功能学证据:经电生理学研究,研究人员进一步发现这些脑膜细胞具有发放动作电位的特性,而且其动作电位的属性跟正常的皮层神经元还不一样。

    持续处于低氧状态下的猪崽,大脑室下区神经干细胞受到严重损伤,前额皮层神经元和中间神经元数量显著减少。它们的脑体积和重量都明显小于对照组,大脑皮层表面皱褶也明显少于对照组。而在人类患儿中,与其他原因死亡的患儿对比,死于CHD的患儿大脑也显示室下区神经干细胞数量减少,脑重量和大脑皮层灰质均明显减少。

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    科学家表示,事实上,出生后数周内新生儿大脑仍然处于发育过程,这给治疗这种疾病提供了关键机会。参与该研究的心外科专家 Richard Jonas 说,刚出生后神经元仍然可以继续发育,给CHD患儿大脑损伤的早期治疗提供了细胞学基础。

    人类前额叶皮层细胞生成及分化、功能产生的发育时间

    起源探索 1:那到底这些脑膜细胞是一类神经细胞呢?研究人员使用了 GLAST-YFP、Nestin-YFP、PDGFRss-YFP 三个转基因小鼠品系,证明在胚胎第 13.5 天时,16.5% 的脑膜迁移来的神经元来自于脑膜上的 Radial-Glia,而大部分来自于 PDGFRss 系的祖细胞。

    虽然这一发现并不能立刻转化为临床应用,但也让儿科和心外科医生兴奋。加拿大多伦多儿科医院儿科神经病学家Steven Miller 认为,这是走向临床应用的第一步,将来可以设法刺激室下区产生更多新生神经元,以补充CHD患儿神经元数量的不足。

    另外,该研究也对于脑发育领域内一直存在分歧的问题进行了探索。例如,对于抑制性神经元是否能在皮层中原位产生的问题过去一直是众说纷纭,一种观点认为皮层的抑制性神经元只来源于位于大脑腹侧的神经节隆起区域(ganglionic eminence),并进而迁移到皮层;而另一种观点则认为有少量的抑制性神经元可能是皮层自身原位产生的。为了解开这个谜题,研究人员通过单细胞转录组测序和免疫染色等技术手段,发现在早期的前额叶皮层中已经存在少量的抑制性神经元的前体细胞,但这部分的前体细胞大多数处于细胞周期的静息期,很可能暂时并不具备分裂生成神经元的活性。同时,转录组数据分析也表明,前额叶皮层中兴奋性神经元的成熟要早于抑制性神经元。

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    该研究也存在不足,这种猪模型不能反映人类心脏病患者的真实情况,并无法反映人类在子宫内的缺氧过程,仅代表出生后的缺氧情况。加州大学旧金山分校神经科学家Arnold Kriegstein 也认为,只有中间抑制性神经元减少不足以解释大脑体积和皮层皱褶减少。“中间抑制性神经元可能只是故事的一部分,而不是整个故事。”他说。

    前额叶皮层的细胞组成是其形成神经网络、执行复杂、丰富功能的生物学基础,该项研究通过高精度的单细胞转录组测序、结合系统的生物信息学分析和深度数据挖掘,对人类前额叶皮层发育的细胞和分子机制进行了深入、精准的探索和分析,为解答前额叶皮层如何参与“思考和思想形成”这一关键问题的后续研究提供了高精度的细胞图谱,是前额叶皮层发育研究史上的重要突破和重大进展。

    分子表达谱证据:研究人员接下来使用转录组学进一步研究了这些脑膜细胞来源的神经球所具有的转录产物,发现其主要与神经元来源的祖细胞相似。

    《中国科学报》 (2017-02-13 第3版 国际)

    生命科学学院2015级博士生张书、博士后范小英与中科院生物物理所2014级博士生钟穗娟、副研究员吴倩以及北医三院闫丽盈博士为本文共同第一作者,王晓群教授、乔杰教授、汤富酬教授及张军教授为共同通讯作者。此项工作得到了国家自然科学基金委、科技部和未来基因诊断高精尖创新中心的支持。

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    分子表达谱证据 2:研究人员采用单细胞 RNA-seq 进一步证明,这些脑膜细胞具有 Radial Glia 样和神经元样的表达谱。

    总结

    这项研究表明,在胚胎发生过程中,脑膜中存在神经祖细胞,且这些祖细胞能够在出生后第一天能够逐渐迁移到皮层,参与皮层的神经发生。

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