Transcriptomic taxonomy and neurogenic trajectories of adult human, macaque, and pig hippocampal and entorhinal cells
成人饮焦、獼猴和豬海馬和內(nèi)嗅細胞的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分類和神經(jīng)源性軌跡
發(fā)表時間：2021年
期刊：Neurons
材料：
專業(yè)名詞：
allocortex：
allocortex 是皮質(zhì)的較小的區(qū)域，僅占 10%； 新皮質(zhì)占據(jù)了剩余的 90%廓译。 與新皮質(zhì)的六層相比埃仪，它的特點是只有三到四層皮質(zhì)乙濒。
SUMMARY:
海馬內(nèi)嗅系統(tǒng)支持認知功能，在許多物種中具有終身神經(jīng)原性能力卵蛉，并且選擇性地易患阿爾茨海默病颁股。
為了研究神經(jīng)原性潛能和細胞多樣性，我們分析了人類傻丝、獼猴和豬的五個海馬內(nèi)嗅亞區(qū)的單核轉(zhuǎn)錄組甘有。綜合跨物種分析顯示，成年小鼠葡缰、豬和獼猴（而非人類）神經(jīng)發(fā)生的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和組織學(xué)特征強大亏掀。
Doublecortin（DCX），一種被廣泛接受的新生成granule cells的marker泛释，在不同的人類神經(jīng)元中被檢測到滤愕，但它沒有定義未成熟神經(jīng)元群體。
為了探索細胞多樣性的物種差異及其對疾病的影響怜校，我們描述了亞區(qū)域特異性间影、轉(zhuǎn)錄組定義的細胞類型以及從三層大腦皮質(zhì)到六層新皮質(zhì)的過渡變化。
值得注意的是茄茁，METTL7B在靈長類動物中定義了subregion-specific興奮性神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞魂贬，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和脂滴蛋白相關(guān)蔓搞，包括阿爾茨海默病相關(guān)蛋白。
該資源揭示了影響海馬內(nèi)嗅神經(jīng)發(fā)生和功能的細胞類型和物種特異性特性随橘。
INTRODUCTION
海馬結(jié)構(gòu)（HIP）和內(nèi)嗅皮質(zhì)（EC）是記憶和時空整合廣泛神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分喂分，在阿爾茨海默病（AD）中具有選擇性的易感性机蔗。根據(jù)細胞結(jié)構(gòu)蒲祈、細胞和回路相關(guān)特征，海馬內(nèi)嗅系統(tǒng)可分為亞區(qū)萝嘁，包括較簡單的dentate gyrus三層異體皮質(zhì)（DG）梆掸、hippocampus proper （cornu ammonis[CA]），以及subiculum (Sub) and the more complex laminated periallocortex (mesocortex)牙言。這些亞區(qū)域細胞類型多樣性的分子基礎(chǔ)及其與相鄰新皮質(zhì)細胞類型的關(guān)系尚不清楚. 該區(qū)域的層狀組織和細胞結(jié)構(gòu)逐漸從allocortex向neocortex轉(zhuǎn)變酸钦。組織學(xué)、生理學(xué)和連接學(xué)研究表明咱枉，allocortex由谷氨酸能興奮性投射神經(jīng)元組成卑硫，類似于哺乳動物新皮層深層的神經(jīng)元。
成年 DG 中g(shù)ranule cells的神經(jīng)發(fā)生已在哺乳動物物種中得到記錄并在嚙齒動物中進行了廣泛研究蚕断，推動了許多關(guān)于其在認知過程中的功能作用及其再生方法潛力的假設(shè)欢伏。
成體神經(jīng)發(fā)生在非人類靈長類動物中也持續(xù)存在，但其水平明顯低于嚙齒動物亿乳。然而硝拧，關(guān)于成人 DG 中是否存在顯著神經(jīng)發(fā)生尚無共識。先前的研究提供了通過檢測細胞增殖在成人和老年人類 DG 中產(chǎn)生顆粒細胞的證據(jù)葛假。
其他研究報告了在成人 DG 中表達doublecortin（DCX障陶；一種廣泛采用的成神經(jīng)細胞和未成熟神經(jīng)元的）的細胞數(shù)量不同。同樣聊训，大量組織 RNA 測序顯示 DCX 在成人和老年人類 HIP 中的表達抱究，盡管顯著低于發(fā)育中的人類或成年獼猴 HIP。相反魔眨，其他研究未能在人類 DG 樣本中識別兒童時期后的神經(jīng)祖細胞或表達 DCX 的神經(jīng)母細胞媳维。
最近酿雪，單細胞 RNA 測序已被應(yīng)用于表征小鼠發(fā)育和成年階段 DG 神經(jīng)發(fā)生的過程遏暴，揭示沿granule cells譜系的基因表達級聯(lián)，從radial glia-like (RGL) 細胞到neural intermediate progenitor cells(nIPC)指黎、neuroblast cells朋凉、granule cells。該技術(shù)非常適合連接細胞譜系亞型的組織學(xué)和遺傳分析醋安，并可能解決圍繞成人神經(jīng)發(fā)生的爭議杂彭。
在人類海馬-內(nèi)嗅系統(tǒng)中墓毒，某些細胞類型和回路選擇性地易受某些病理過程的影響，包括缺血或 AD 病理以及與年齡相關(guān)的神經(jīng)元丟失亲怠。 鑒于這種選擇性所计，對該系統(tǒng)進行更詳細的分子和細胞分析將有助于我們了解人類大腦和神經(jīng)精神疾病。
為了研究基因表達团秽、神經(jīng)發(fā)生能力和可變疾病易感性方面的關(guān)鍵細胞類型和物種特異性差異主胧，我們對海馬的五個解剖學(xué)定義的亞區(qū)域進行了高覆蓋率單核 RNA 測序 (snRNA-seq)。來自成人供體（DG习勤、CA2-CA4踪栋、CA1、Sub 和 EC）的內(nèi)嗅系統(tǒng)图毕。我們還分析了成年恒河猴 (Macaca mulatta) 的 DG 細胞群和年輕成年豬 (Sus scrofa) 的所有海馬區(qū)夷都。類似于最近對死后成人海馬-內(nèi)嗅系統(tǒng)的 snRNA-seq 研究，這些發(fā)現(xiàn)確定了具有明顯區(qū)域差異的高度多樣化的細胞群予颤。此外囤官，我們通過與年輕成年小鼠（Mus musculus）的平行樣本進行跨物種綜合比較，研究了該區(qū)域內(nèi)潛在的物種水平差異蛤虐，支持與進化治拿、行為和疾病。此交互式資源可在 http://resources.sestanlab.org/hippocampus 上訪問笆焰。
DISCUSSION
我們報告了對成年人劫谅、獼猴和豬海馬-內(nèi)嗅系統(tǒng)中幾個解剖學(xué)上定義的細胞群的廣泛的單細胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。 我們的研究結(jié)果揭示了成年海馬神經(jīng)發(fā)生的基本物種差異嚷掠，并描繪了從同種alloto到neocortex的細胞結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的分子多樣性捏检。 這些結(jié)果還概述了在某些物種和細胞類型中選擇性富集的基因，這些基因可能在海馬-內(nèi)嗅系統(tǒng)的特定生物學(xué)和/或病理學(xué)中起作用不皆。
與主要依賴一兩個關(guān)鍵標(biāo)記（progenitors [nestin]; neuroblasts and immature granule cells [DCX]）的近期研究不同贯城，單細胞 RNA-seq 研究更加全面，因為它們利用組合基因表達譜來更可靠地識別細胞群霹娄。這種方法還允許跨物種分析能犯，放大單個物種內(nèi)的稀有信號，這些信號在單獨分析時可能會被掩蓋犬耻。我們的跨物種分析允許鑒定小鼠踩晶、豬和獼猴的神經(jīng)源性譜系，而這在人類中幾乎不存在枕磁。我們在成人 DG 樣本的 32,067 個granule cells (0.003%) 中僅檢測到一個具有 nIPCs 轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征的細胞和一個具有推定neuroblasts特征的細胞渡蜻，這一比例遠低于預(yù)期的 0.09%–3.8% neuroblasts根據(jù)先前對成人 HIP 的 DCX 免疫染色或 14C 摻入研究（數(shù)據(jù)和相關(guān)研究見表 S2）。
相同的分析策略在其他分析物種中檢測到更高比例的neuroblasts（小鼠，6.6%茸苇；豬排苍，55.6%；獼猴学密，2.0%淘衙；圖 2B；表 S3）腻暮。 這些比例高于先前基于祖細胞增殖和神經(jīng)母細胞標(biāo)記物（如 DCX）鑒定估計的比例（表 S2）幔翰，表明需要更多研究來微調(diào)這些神經(jīng)源性群體的檢測。 然而西壮，這種明顯松懈的檢測協(xié)議證實遗增，我們的參數(shù)不太可能遺漏大量被調(diào)查的人類 DG granule cells中任何明顯的neuroblasts群，即使它們可能表現(xiàn)出模棱兩可的輪廓款青。
當(dāng)人類 UMAP 布局不包括與成熟granule cells簇相鄰的任何神經(jīng)源性細胞聚集時做修，我們排除了可能的人類特異性轉(zhuǎn)錄組學(xué)變化對我們的跨物種綜合分析的替代混淆。 同樣抡草，人類 DG 樣本中不存在成熟granule cells之前的所有神經(jīng)源性譜系的發(fā)現(xiàn)降低了人類neuroblasts存在于我們的樣本中但其轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征與其他物種不同并與相關(guān)細胞群混合的可能性饰及。
我們還將我們的發(fā)現(xiàn)擴展到成人 HIP 的現(xiàn)有 snRNA-seq 數(shù)據(jù)。 我們重新評估了最近報道的由 LPAR1 標(biāo)記的神經(jīng)祖細胞簇的身份康震，LPAR1 是一種標(biāo)記小鼠 DG 神經(jīng)祖細胞的基因燎含。 我們的分析表明，該簇實際上代表了由少突膠質(zhì)細胞和granule cells形成的雙聯(lián)體（圖 S3S）腿短。 此外屏箍，Sorrells 等人對先驅(qū) HIP 數(shù)據(jù)（Habib 等人，2017 年）的重新分析橘忱。 (2021) 表明marker為神經(jīng)干細胞的細胞簇實際上是室管膜細胞的特征赴魁。
對所有分析物種中 DCX 轉(zhuǎn)錄物的分析表明，在成熟神經(jīng)元（主要是 InNs）和神經(jīng)膠質(zhì)細胞中表達钝诚，表明 DCX 表達不僅限于 DG neuroblasts（圖 3A 和 3B）颖御。 這種模式與 Habib 等人對數(shù)據(jù)的重新分析一致。 迄今為止進行的所有轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析都表明成人 DG 中缺乏神經(jīng)源性細胞群凝颇。
在蛋白質(zhì)水平上潘拱，除少數(shù)例外（圖 S3L）外，DCX 僅存在于所有分析的非人類物種中類似于neuroblasts和未成熟granule cells的 DG 細胞中拧略。此外芦岂，如前所述（還可以在其他區(qū)域檢測到形態(tài)未成熟的細胞，例如獼猴的 EC 或小鼠的梨狀皮層辑鲤。在人類中盔腔，關(guān)于人類 DG 中 DCX 免疫染色存在激烈爭議杠茬，一些報告顯示陰性結(jié)果和其他人描述DCX-IL 細胞月褥。我們在杏仁核中檢測到清晰的 DCX-IL 細胞弛随，偶爾在 EC 中檢測到，但在相同的組織切片中宁赤，我們在 DG 中找不到類似于neuroblasts的 DCX-IL 細胞舀透。檢測成人 DG 中 DCX-IL 細胞的這些不一致不能完全歸因于死后 DCX 蛋白的變性和降解，因為 DCX-IL 細胞在具有延長的 PMI 的樣品中被清楚地檢測到（圖 S3D决左、S3E 和 S3I-S3L ）愕够。 Moreno-Jime ?nez 等人 (2019) 報道了一種強化抗原修復(fù)方案，這是在人類 DG 中標(biāo)記 DCX 細胞的必要步驟佛猛。然而惑芭，他們報告了 EC 中沒有陽性細胞，這是我們的研究（圖 S3D）和另一個（Sorrells 等继找，2021）使用傳統(tǒng)抗原修復(fù)的相對常見的發(fā)現(xiàn)遂跟。因為我們的分析沒有在 RNA 或蛋白質(zhì)水平上揭示成神經(jīng)細胞（使用不同的抗原修復(fù)方法），所以問題仍然是那些先前報道的細胞可能是什么婴渡。除了被低估的非特異性和脫靶效應(yīng)（Sorrells 等人幻锁，2021 年）之外，這些研究還可以標(biāo)記可能含有低水平 DCX 蛋白的成熟granule cells和 InN边臼，這些蛋白在多步抗原修復(fù)后被特別檢測到哄尔。支持這一假設(shè)的事實是，我們檢測到的微弱免疫標(biāo)記細胞主要在顆粒細胞層附近柠并，表現(xiàn)出成熟 InN 的形態(tài)岭接，并且一些與針對 GAD1 的抗體共同標(biāo)記，GAD1 是 InN 的標(biāo)志物（圖3E 和 S3M-S3Q）臼予。這種微弱的染色與在 EC 和杏仁核中顯示的胞體和樹突的強染色和明確形態(tài)相去甚遠亿傅，并且類似于之前報道的淺 DCX 免疫染色.因此，我們的結(jié)論是 DCX 蛋白可能在 InNs 或一些成熟的granule cells中以非常低的水平表達瘟栖，在正晨妫抗原修復(fù)下可以輕微免疫標(biāo)記，但在更精細的組織處理和嚴(yán)格條件下可以顯示出更強烈和更廣泛的染色抗原修復(fù)半哟。事實上酬滤，來自 Moreno-Jime ?nez 等人的圖 2I表明，大約 75% 的 DCX-IL 細胞與 NeuN（RBFOX3寓涨，75%）共定位盯串，NeuN（RBFOX3，75%）是成熟granule cells的marker戒良，91% 的 DCX-IL 細胞也對 Prospero homeobox1（PROX1）呈陽性体捏，由granule cells表達的轉(zhuǎn)錄因子，也由尾部神經(jīng)節(jié)隆突中產(chǎn)生的 InN 表達，支持大多數(shù) DCX-IL 細胞實際上可能是成熟granule cells的可能性或 InN几缭。
關(guān)于 RNA 分析河泳，雖然人類的 PMI 比其他分析物種的時間長，但人腦在 PMI 期間的大部分時間都保持在 4°C年栓，而用作 PMI 對照的豬則保持在室溫下拆挥。 這種溫暖的 PMI 可能會加劇死后效應(yīng)，但這些條件并不是檢測該物種神經(jīng)源性途徑的障礙某抓。 可以爭論的是纸兔，未檢測到人類 DG 中的神經(jīng)源性途徑是因為我們的 snRNA-seq 策略可能會優(yōu)先排除人類中的神經(jīng)源性細胞。 然而否副，它似乎極不可能影響神經(jīng)源性譜系中的所有細胞類型汉矿，從祖細胞到神經(jīng)母細胞，而且只影響人類备禀。 總體而言负甸，對我們的 RNA 轉(zhuǎn)錄分析和 DCX 蛋白質(zhì)研究的組合結(jié)果的最簡潔的解釋是，與其他分析的哺乳動物相反痹届，在成人 DG 中不會發(fā)生持續(xù)的baseline neurogenesis或極為罕見呻待。
表征神經(jīng)源性潛力的類似物種相關(guān)和細胞特異性轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析也概述了海馬 - 內(nèi)嗅系統(tǒng)中從同種皮質(zhì)域到新皮質(zhì)域的轉(zhuǎn)變，并表明 ExNs 是子域之間差異的主要驅(qū)動因素（圖 4）队腐，這表明 與基于細胞結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)描述相比蚕捉，ExNs 的補充更豐富。 我們的分析為進一步研究這些人群提供了基礎(chǔ)柴淘，并描述了對海馬-內(nèi)嗅生理的可能影響迫淹。 這些數(shù)據(jù)完善了我們對同種allo-, meso-和neocortex進化的理解。 我們開發(fā)的轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征強烈表明哺乳動物同種皮層之間的同源性为严，特別是 EC 和新皮層的深層敛熬。
在促成層轉(zhuǎn)換的基因中，我們發(fā)現(xiàn) METTL7B 在海馬生理和功能中很重要第股。 我們發(fā)現(xiàn)具有甲基轉(zhuǎn)移酶活性的 METTL7B 與重要的 AD 相關(guān)蛋白（例如 APP应民、LRP1、RTN3 和 RTN4）相互作用夕吻。 重要的是诲锹，我們的結(jié)果表明，ExNs 和星形細胞亞群中的這些功能相互作用似乎是舊世界猴子和猿（parvorder Catarrrhini）的系統(tǒng)發(fā)育特異性物種涉馅，這些物種顯示出與衰老相關(guān)的更顯著的病理跡象归园，例如 AD。 總體而言稚矿，我們的分析提供了如何使用該資源來識別可能與海馬生物學(xué)功能相關(guān)的細胞類型和基因的多個小插曲庸诱，從而允許物種間比較捻浦。
