發(fā)布時(shí)間：2020-02-17
2020年2月18日，《自然-神經(jīng)科學(xué)》期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為《小鼠視交叉上核基因表達的時(shí)空單細胞分析》的研究論文。該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室嚴軍研究組完成。該研究通過(guò)單細胞測序技術(shù)對小鼠晝夜節律中樞——視交叉上核進(jìn)行了系統性的細胞分型，發(fā)現了新的神經(jīng)元亞型，揭示了這些細胞亞型的基因表達在晝夜節律過(guò)程中和光照刺激下的差異，同時(shí)在單細胞水平完整重構了各亞型細胞的三維空間分布，為研究哺乳動(dòng)物晝夜節律的神經(jīng)機制奠定了重要的基礎。
晝夜節律在生物體中廣泛存在，對調節人們一天之中的運動(dòng)、睡眠、代謝等諸多生理過(guò)程起著(zhù)重要的作用。目前認為哺乳動(dòng)物的晝夜節律是由位于大腦中的視交叉上核（Suprachiasmatic Nucleus, SCN）控制的。SCN能夠接收視網(wǎng)膜傳遞而來(lái)的外界光暗信號，自持地產(chǎn)生晝夜節律振蕩，并將節律信號傳遞到全身。在分子水平，晝夜節律是由一系列核心節律基因構成的轉錄翻譯反饋環(huán)路（transcription-translation feedback loops, TTFL）所產(chǎn)生。以往的研究表明核心節律基因的表達在SCN的神經(jīng)元中呈現出同步的振蕩，并且處于不同空間位置的細胞有不同的振蕩相位。有研究指出，SCN細胞表達多種多樣的神經(jīng)肽段和受體，由它們構成的細胞間通訊網(wǎng)絡(luò )是SCN細胞節律基因表達同步化的重要基礎。以往對SCN的研究?jì)H集中于表達VIP和AVP這兩種神經(jīng)肽段的細胞，但是SCN全面的細胞分型、不同細胞類(lèi)型在SCN中的空間分布、以及這些細胞類(lèi)型在晝夜節律中如何發(fā)揮作用目前都不清楚。
本研究利用液滴單細胞測序(Drop-seq)、單分子熒光原位雜交（smFISH）和激光顯微切割測序（LCM-seq）等技術(shù)對不同晝夜時(shí)間點(diǎn)取樣的小鼠SCN進(jìn)行分析，通過(guò)轉錄組對SCN進(jìn)行系統性細胞分型的同時(shí)獲得了不同細胞類(lèi)型中基因的節律表達情況，并且重構了這些細胞類(lèi)型在SCN中的三維空間位置信息。本研究首先發(fā)現SCN中包括室管膜細胞、膠質(zhì)細胞等在內的各種非神經(jīng)元細胞和神經(jīng)元一樣都存在廣泛的節律基因表達，暗示了SCN中的各類(lèi)細胞都有細胞特異性的節律功能。有趣的是所有非神經(jīng)元細胞中的核心節律基因振蕩相位都明顯晚于神經(jīng)元中的振蕩相位。在神經(jīng)元中，SCN的神經(jīng)元相對于非SCN神經(jīng)元有明顯更高的核心基因表達。研究組進(jìn)一步將SCN中的神經(jīng)元分為了五種亞型，根據它們表達的基因分別命名為Avp+/Nms+, Grp+/Vip+, Vip+/Nms+, Cck+/C1ql3+和Cck+/Bdnf+（圖A-B）。其中，Avp+/Nms+, Vip+/Nms+和Cck+/C1ql3+三種亞型表現出強烈的節律基因表達（圖C）。位于SCN背側的Avp+/Nms+細胞和位于腹側的Vip+/Nms+細胞中節律基因表達的相位要領(lǐng)先于位于SCN前側的Cck+/C1ql3+細胞。通過(guò)光刺激實(shí)驗，本研究發(fā)現SCN不同神經(jīng)元亞型對光照反應有明顯差別，其中Grp+/Vip+細胞對光照的反應最為強烈，而Cck+/C1ql3+和Cck+/Bdnf+兩類(lèi)細胞對光反應最弱。這體現了SCN神經(jīng)元亞型在節律振蕩產(chǎn)生與光敏感性上存在功能區分。最后，本研究通過(guò)組織透明化成像完整重構了SCN神經(jīng)元亞型在SCN中的三維空間分布（圖D），并通過(guò)激光顯微切割結合RNA測序技術(shù)，揭示了SCN內部存在三維空間的基因表達梯度（圖E），為SCN細胞亞型的劃分以及功能上的空間各向異性進(jìn)一步提供了證據。
本研究采用先進(jìn)的單細胞技術(shù)，首次對晝夜節律中樞SCN進(jìn)行了全面的細胞分型、重構和分析，得到的SCN不同細胞類(lèi)型以及神經(jīng)元亞型的時(shí)空基因表達以及細胞構筑等信息為研究哺乳動(dòng)物晝夜節律的神經(jīng)機制提供了重要的線(xiàn)索。本工作可以用F圖來(lái)總結，寓意SCN作為生物節律核心起搏器，像棱鏡一樣把光信號轉換為節律信號，并且不同的神經(jīng)元產(chǎn)生不同相位的振蕩，折射到中國古老的日晷上的不同時(shí)辰。在人類(lèi)社會(huì )中，晝夜節律紊亂會(huì )導致包括睡眠障礙在內的各種疾病，因此理解晝夜節律現象在神經(jīng)系統中如何產(chǎn)生、維持以及發(fā)揮作用對人類(lèi)健康具有重要意義。
該項工作在嚴軍研究員的指導下，主要由博士研究生溫紹昂和馬丹宜共同完成，同時(shí)課題組的研究助理趙蒙、吳清勤和范鈺奇，博士研究生謝路成和朱傳鎮，高級工程師王海芳，博士后茍凌峰也做出了重要貢獻。本工作得到中科院戰略性先導科技專(zhuān)項、上海市科技重大專(zhuān)項、國家自然科學(xué)基金委面上項目、國家自然科學(xué)基金委和上海市科委青年科學(xué)家項目的支持。
圖注 A：?jiǎn)渭毎麥y序得到的五個(gè)SCN神經(jīng)元亞型。B：smFISH展示SCN神經(jīng)元亞型的標記基因的共標結果。C：五個(gè)SCN神經(jīng)元亞型中的節律基因表達。
圖注 D：用透明化成像得到的SCN神經(jīng)元亞型的三維空間分布。E：從LCM-seq獲得的SCN中基因的三維空間表達。F：這張圖寓意SCN作為生物節律核心起搏器，把光信號轉換為節律信號，并產(chǎn)生不同相位的振蕩，折射到中國古老的日晷上的不同時(shí)辰。
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