神经细胞多样性的探索方法

日期: 2017年11月20日


    

导读:过去十年中,研究人员已经认识到除了各种类型的细胞变异之外,基因组多样性也能影响细胞功能。人类大脑含有约1000亿个神经元,随着细胞鉴定技术的精细化,现在科学家们发现大脑细胞种类很可能跟它们的数量一样庞大。今天,赛业小编为您推荐“神经细胞多样性的探索方法”,详情如下:

  

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为什么要研究神经细胞的多样性?大脑的组成可被细化到何种程度?Salk研究所遗传学实验室博后Sara B.Linker和Tracy A.Bedrosian以及衰老相关神经退行性疾病Vi和John Adler主席Fred H.Gage教授在《TheScientist》在线期刊发表封面文章“Advancing Techniques Reveal the Brain’s Impressive Diversity”综合解读科学家们为什么要进行细胞分类和鉴定研究。


人们对细胞多样性的兴趣最初来自“失败的实验”。1995年,Fred H.Gage和同事发现了一个被称为成纤维细胞生长因子2(fibroblast growth factor 2,FGF2)的蛋白质,它的重要作用在于能维护成人神经祖细胞(NPCs)的体外增殖状态。但是,研究人员只能通过提高NPCs密度来扩大培养,却不能生成均一的、具有分化特异性的同质细胞群(homogeneous populations)。

  

同质细胞群


5年后,他们又发现联合使用FGF2与糖基化的半胱氨酸蛋白酶抑制剂(cystatin C,CCg)可获得NPCs的同质细胞群。于是,研究人员比较了这种同质细胞群的基因表达与大鼠干细胞、少突胶质细胞、星形胶质细胞和NPCs分化的神经元的区别后,惊讶地发现,NPCs细胞群最显著的9个高转录组件竟然是长散在元件-1(long interspersed nuclear element-1,LINE-1)简称为L1,它们是占哺乳动物基因组20%的逆转录转座子。


大多数哺乳动物L1已失去基因组跳跃能力。据估计,人类基因组平均含有80-100个有能力反转录转座的L1s(RC-L1s),其中约10%被归为高活跃度的热点。小鼠的RC-L1s更多,至少有3000多个。


2005年,研究人员在体外培养的成年大鼠NPCs和转基因小鼠脑内都检测到了L1s的跳跃。已知转录转座事件仅存在于分裂细胞,表明神经发育过程中也发生了L1s跳跃,这证明,神经元的基因组实际上相当动态,以转录转座为基础的塑性驱动了个体基因组的多样化,这就是体细胞嵌合(somatic mosaicism)。


如今,科学家们已经知道从头L1反转录事件仅仅是驱动神经元嵌合的一种机制,其他的还包括重组、非整倍体、拷贝数变异等其他基因组结构变化,以及表观遗传和转录变化、转录后和翻译后修饰变异等等。


人的个性源于哪里?人与动物之间不同的行为差异又来自哪里?兄弟姐妹,甚至同卵双胞胎哪怕在幼年时期也具有明显的性格差异,相同的基因组和生长环境以外,还有什么在起作用?

  

“体细胞嵌合”


因体细胞基因或细微的分子和环境差异造成的神经元多样化可能有助于解释上述问题。因此,研究人员也开始研究体细胞嵌合如何推动个体神经元的功能差异。


新技术发现更多细胞类型


鉴定细胞进展主要得益于3门学科的发展:1.捕获和制备数千细胞的个体RNA、DNA和表观遗传学分子的高通量分析技术;2.测序成本下降使数字化单细胞进程成为可能;3.数据科学和机器学习领域的进步使这些大数据被归纳为有用的生物信息。通过这些方法,研究人员现在可以把注意力集中在新问题上,比如细胞水平异质性如何转化为个体行为差异。


今年早些时候,卡罗林斯卡医学院的研究学者就证明,CA1区锥体神经元、纹状体中棘神经元(striatal medium spiny neurons)和皮质中间神经元的精神分裂相关基因特别丰富。进一步解释了细胞类型多样化以及个体细胞状态的不同自然而然就会导致不同的神经回路变化。


去年,艾伦研究所的Bosiljka Tasic课题组用单细胞RNA测序在一小块小鼠视觉皮层横截面上鉴定了49种转录细胞类型,其中约70%都是以前从未被描述过的,随后,研究人员又进一步拓展了这些新细胞的表观遗传学图谱研究。


定义细胞类型的工作也变得越来越复杂。通常人们采用标记基因来区分不同细胞类型。但近来有研究表明,海马CA1区的转录组与位于背腹轴的细胞存在梯度,这佐证了背侧和腹侧CA1神经元电生理特性不同和在记忆编码过程中起不同角色的现象。


大脑中的突变类型多种多样,包括非整倍体、单核苷酸多态性(SNPs)、拷贝数变异(CNVs)和移动元件插入,这些都因细胞而已。特别有意思的是,那些来自移动元件插入的体细胞突变。不同于随机DNA损伤事件,L1关联突变由与人类基因组共同进化了数百万年的蛋白质驱动。如果L1插入能改变下游神经元功能,这可能暗示,这些移动元素曾经可能对寄生虫有利。直到最近几年,科学届才开始研究L1诱导突变对神经疾病的影响。


另外,染色质结构和DNA甲基化通过阅读限制、表观遗传修饰等方式决定等位基因的表达,可能导致一些细胞从一个亲本的等位基因中表达,另一些细胞则使用相对应的另一组等位基因。亲本基因的表达偏向在不同脑区和不同年龄阶段具有动态变化,这进一步加大了大脑的细胞多样性。还有翻译后修饰,通过影响蛋白质的稳定性和定位,将神经元分为不同亚型。


除了内在变异机制以外,环境驱动的可塑性又给大脑细胞分类带来了另一层复杂性。大脑具有根据过往经历的重塑能力。环境信号可能导致整体或局部的适应性,包括单个细胞的结构和功能,以及它与其他神经元的连接和通讯。


无论是遗传变异还是细胞局部微环境变化都可以通过级联放大反应最终影响功能特征。例如,神经元接收的电刺激可诱导突触上的分子变化从而影响其动作电位倾向,而突触的分子反馈则会影响与其他细胞通讯时释放的神经递质数量。


神经多样性的功能意义


细胞的类型取决于它的特定功能角色或形态定义。当我们考虑到细胞的不同成熟度、活跃度、可塑性和形态学等特质后,就会认识到,对某些细胞来说与其按种类分类,不如按连续变化状态分类。


脑细胞可能跟它们所属的人一样独特。遗传、分子和形态多样性组成了人类特有的高阶认知过程所需的功能变化。尽管神经元本身是多样化的,但是在这些基本变化区间之外的过高过低差异可能就会产生疾病。例如,神经元不能行使功能,就会导致相应障碍,如果神经元变得对给定角色过于专业化可能就会失去它的可塑性。继续在单细胞水平上探索,最终我们将找到这些问题以及那些超越人类现有认知水平的问题的答案。


原文标题:


Advancing Techniques Reveal the Brain’s Impressive Diversity


来源:生物通——由赛业生物科技公司转载发布

  

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