Nature | 耶鲁大学樊荣团队利用空间多组学绘制大脑发育和神经炎症发生的时空图谱

哺乳动物大脑的发育和神经炎症受到严格调控;从神经祖细胞的命运分化，到神经元与胶质细胞的层次化组装，再到突触网络的建立，这一系列事件都在严格的时空秩序中发生。它不仅依赖基因的转录调控，更受到染色质可及性、表观修饰状态和蛋白层次调控的多重影响，同时神经退行性病变会重新激活许多发育时期的程序。近年来，得益于RNA和蛋白表达测定，染色质可及性等大规模测序手段用于来界定细胞状态的策略， 使得与疾病相关细胞状态受到广泛关注。

 

研究方法

 

 

为阐明大脑发育及神经炎症过程中的细胞和分子过程，研究者使用空间多组学分析，设计了大脑发育和神经炎症中主要细胞类型的标志物组合，使用空间蛋白质组学方法CODEX技术，提供单细胞分辨率的细胞类型和形态信息。同时利用自主开发的微流控条码平台（DBiT），开发了spatial ARP-seq和 spatial CTRP-seq技术，用于同一组织切片内同时进行全基因组染色质可及性或组蛋白修饰、全转录组和蛋白质组的细胞层面测定。应用于从新生儿到幼年期的小鼠大脑，并以发育中的人类大脑为基准，生成了大脑发育的时空图谱。

并且利用由LPC诱导的焦点脱髓鞘小鼠模型，探索神经炎症发生后局灶性脱髓鞘和再髓鞘化的进展过程中多组学动态变化。

CODEX 小鼠脑23plex和人脑19 plex 标志物如下：

研究结果

 

图1 大脑发育过程的蛋白，转录组，和表观遗传组学分析

2.皮层髓鞘化发育中小鼠和人脑的空间多组学动态

在小鼠和人脑中，利用空间ARP-seq和CODEX分析提供了全面的数据集，捕捉了分子生物学染色质可及性-转录-蛋白三个层面的空间守恒和时间演化。

结果表明，在小鼠部分皮层层次特异性转录因子（如 Bcl11b、Cux1、Cux2）在RNA表达与染色质开放性上表现一致，而另一类跨谱系基因（如 Sox4、Sox11、Mef2c）的染色质可及性在时间上更为滞后，在空间上更加弥散，在RNA下降后仍保持ATAC信号活跃，保留了其早期发育阶段转录状态的表观遗传记忆，提示存在持续的表观记忆（epigenetic memory）。这一机制可能为突触可塑性、学习与记忆提供分子基础。

图2 皮层发育中小鼠和人脑的空间多组学动态

3.胼胝体髓鞘双向发育化的时空动态

胼胝体是脑内少突胶质细胞分化与髓鞘形成最活跃的区域。

小突胶质前体细胞和小突胶质细胞（OPCs/COPs）的早期发展P0开始，并偏向于中央胼胝体区域，在P10阶段向外侧转移。而CODEX评估成熟少突胶质细胞标志物  MBP和MOG蛋白表达最初仅限于P10的CC外侧部分，并由P21扩散至整个胼胝体，表明胼胝体髓鞘化遵循一种有时间顺序的、双向的模式。空间ARP-seq数据显示染色质可及性变化，RNA表达与蛋白表达变化与CODEX观察一致。

图3 髓鞘双向发育化的时空动态

4. 神经炎症与发育程序的再激活

为研究脱髓鞘和再髓鞘化过程，在小鼠胼胝体注射1% LPC，进行多发性硬化局灶造模，并对冠状切片进行了CODEX、空间ARP-seq和空间CTRP-seq分析。结果显示，炎症反应具有显著的空间传播特性。在损伤中心，小胶质细胞活化最为强烈，同时髓鞘相关基因表达显著下降，H3K27me3 等抑制性组蛋白修饰明显增强，同时出现了活化的小胶质细胞群体，提示炎症信号可能通过神经通路实现远程传播。

图4脱髓鞘和再髓鞘化过程，空间三组学的时空动态变化

 

结论

 

 

本文通过空间ATAC–RNA–蛋白质测序和空间CUT&Tag–RNA–蛋白质测序，并结合CODEX多重免疫荧光成像，提供了一个以人类发育为基准，涵盖小鼠大脑皮层和胼胝体发育的空间多组学文库，同时探索了局灶性脱髓鞘和再髓鞘化进展的时空多组学变化。揭示了特定皮层层次决定性转录因子的染色质可及性在时间上的持续性和空间上的扩散特性，以及在髓鞘形成过程中胼胝体中髓鞘相关基因的时空变化。

并通过小鼠多发性硬化局灶模型揭示炎症信号可能的神经传播方式，和修复过程中发育程序的启动。