眾所周知，每種動物都有自己的大腦，但人腦是獨一無二的，它賦予了人類思考、說話、感知和一系列行為，控制著個體一生中所想和所做的一切。人腦被認為是生命科學中最復雜的器官。因此，到目前為止，依然有太多的長期未解之謎。

在過去的研究中，科學家們通過研究動物大腦已經取得了一些進展；但遺憾的是，這些發(fā)現(xiàn)并不能直接轉化到人類中。因為人腦具有區(qū)別于其他物種的獨特特征。此外，最近的細胞圖譜對小鼠和人類發(fā)育中的腦細胞組成進行了高分辨率描述, 但由于難以在生命最早階段獲得腦組織, 以及缺乏系統(tǒng)操縱基因功能的方法, 研究控制人腦發(fā)育的機制始終是一項重大的挑戰(zhàn)。

2022年10月5日，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的 Barbara Treutlein 博士、何志嵩博士和羅氏制藥的 J. Gray Camp 博士領導的研究團隊在 Nature 上發(fā)表了題為：Inferring and perturbing cell fate regulomes in human brain organoids 的研究論文。

該研究建立了人類大腦類器官發(fā)育的多組學圖譜，首次證明轉錄因子 GLI3 參與了人類前腦模式的形成。該研究為如何利用人體模型系統(tǒng)和單細胞技術重建人類發(fā)育生物學提供了框架。

近年來，利用人類干細胞在受控培養(yǎng)環(huán)境中生成復雜的大腦類器官（Brain Organoids）為理解人腦發(fā)育的機制開辟了新的途徑。大腦或非導向性神經類器官可以從胚胎干細胞或誘導多能干細胞發(fā)育成三維神經上皮細胞，這些細胞可以自我模式化、區(qū)域化，并最終形成不同腦區(qū)的神經元。

目前，大腦類器官已被成功用于模擬小頭癥、自閉癥等其他神經發(fā)育障礙。然而，在正常和干擾條件下協(xié)調人腦早期發(fā)育的基因調控網(wǎng)絡仍是未知的。

在這項新研究中，該團隊生成了人腦類器官發(fā)育過程中的單細胞轉錄組和單細胞可獲得的染色質分析數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集來自3個人類 iPS 細胞系和1個胚胎干細胞系的11個時間點，涵蓋了2個月的發(fā)育過程，包括胚狀體形成、神經外胚層誘導、神經上皮化、神經祖細胞模式和神經發(fā)生。研究人員利用這些數(shù)據(jù)建立了一個大腦類器官發(fā)育的多組學圖譜，揭示了發(fā)育層次和命運決定的關鍵階段，以及類器官內每個細胞的分子指紋。

然而，類器官中的每個細胞都有超過20000個基因，而且每個類器官又由數(shù)千個細胞組成。因此，產生一個巨大的矩陣。

為了分析所有這些海量多維數(shù)據(jù)并預測基因調控機制，研究人員開發(fā)了一個框架程序Pando，它結合了多組學數(shù)據(jù)和轉錄因子結合位點的預測，以推斷描述類器官發(fā)育的整個基因調控網(wǎng)絡。

使用 CRISPR-Cas9 基因編輯技術，研究人員在每個細胞中選擇性地關閉某個基因，整個類器官中共有24個基因被同時關閉。這使他們觀察到特定基因在大腦發(fā)育中所扮演的角色。

研究人員表示，這種方法可以用于篩選與疾病有關的基因，以及觀察該基因對器官內不同細胞發(fā)育的影響。

為了驗證他們的理論，研究人員關注了轉錄因子 GLI3 。GLI3 是小鼠皮層發(fā)育調節(jié)因子，該基因突變可導致小鼠中樞神經系統(tǒng)畸形。過去，GLI3 在人類神經發(fā)育中的作用還未被探索，但已知該基因突變會導致 Greig頭多并指綜合征和 Pallister Hall 合征等疾病。

為了確認 GLI3 在人類環(huán)境中參與細胞命運的建立，以及檢查潛在的發(fā)育機制，研究人員通過 CRISPR-Cas9 基因編輯建立了 GLI3 敲除 iPS 細胞系和一個對照的野生型細胞系，并生成了兩個獨立的大腦類器官，從而驗證了 GLI3 在人類背側端腦細胞命運中的關鍵作用，并進一步確定了 GLI3 在內側神經節(jié)隆起（MGE）和外側/尾部神經節(jié)隆起（LGE/CGE）神經元中的貢獻。GLI3 的缺失會影響類器官的進一步發(fā)育。

論文通訊作者 Barbara Treutlein 表示，這項研究首次證明了 GLI3 基因參與了人類前腦模式的形成，而這以前只在小鼠中發(fā)現(xiàn)過。這項研究可以讓你使用來自多個單細胞的全基因組數(shù)據(jù)推測單個基因所發(fā)揮的作用；而且，這些在培養(yǎng)皿中的模型系統(tǒng)確實反映了 GLI3 在小鼠發(fā)育生物學中的作用。

在熒光顯微鏡下來自人干細胞的大腦類器官：GLI3 （紫色）標記前腦區(qū)域的神經元（綠色）前體細胞

該團隊還發(fā)現(xiàn)了培養(yǎng)基是如何以自組織的方式形成組織的，其結構在形態(tài)學以及基因調控和模式形成的層面上都與人腦的結構相當。Barbara Treutlein 表示，像這樣的類器官確實是研究人類發(fā)育生物學的一種極好的方法。

這些由人類細胞材料組成的類器官研究還有一個優(yōu)點，就是它可以轉化到人類身上，不僅可以用于研究基礎發(fā)育生物學，還可以用于研究基因在疾病或發(fā)育性腦部疾病中的作用。例如，該團隊正在通過這種類器官研究自閉癥和腦室周圍異位的遺傳原因。此外，類器官還可以用于藥物測試和培養(yǎng)可移植器官的組成部分。

總之，這些數(shù)據(jù)揭示了多模式單細胞基因組和類器官技術在了解人腦發(fā)育的基因調控程序方面的非凡潛力。該研究為如何利用人體模型系統(tǒng)和單細胞技術重建人類發(fā)育生物學提供了一個框架。