人類的大腦就像是一件精心設(shè)計的藝術(shù)品，它擁有相當復雜的結(jié)構(gòu)——由數(shù)百億個具有不同身份的細胞組成。這就像是一場由數(shù)百億位音樂家完成的復雜交響樂，每個細胞都執(zhí)行著重要的功能，缺少其中一環(huán)都可能導致這個精密系統(tǒng)的崩潰。

這也提出了一個疑問，人類大腦究竟是如何決定這些細胞的發(fā)育命運的？為了揭示這個未解之謎，斯坦福大學的干細胞生物學家 Irving Weissman 和 Daniel Dan Liu 等人開發(fā)了一項新技術(shù)，可以分離、分析單個腦細胞的轉(zhuǎn)錄組和功能特征，以此揭示干細胞形成人腦的過程。

2023年3月16日，該研究以：Purification and characterization of human neural stem and progenitor cells 為題，發(fā)表于國際頂尖學術(shù)期刊 Cell 上。

人腦固然是擁有復雜的功能和結(jié)構(gòu)，但也不要忘記這數(shù)百個億個細胞其實都來源同一類細胞——神經(jīng)干細胞（NSCs）。在發(fā)育中的大腦皮層中，放射狀膠質(zhì)細胞（RG）可以作為神經(jīng)干細胞，自我更新并逐漸產(chǎn)生更多譜系的祖細胞，最終產(chǎn)生三個主要的神經(jīng)譜系：神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞。

近年來，單細胞技術(shù)的發(fā)展為神經(jīng)干細胞和神經(jīng)祖細胞（NSPCs）在整個發(fā)育過程中的轉(zhuǎn)錄組多樣性提供了前所未有的空間和時間分辨率，從而產(chǎn)生了人類NSPCs的詳細圖譜。然而，雖然轉(zhuǎn)錄組特征在識別細胞類型和特征方面有很大的用途，但干細胞最終應該由它們的功能來定義，特別是關(guān)于自我更新和分化潛力。

干細胞生物學的本質(zhì)在于能夠前瞻性地分離純細胞群進行功能表征，例如保證可靠的組織分離和細胞表面標記，以及用于純化和評估其自我更新和分化的體內(nèi)特性。

在這項最新研究中，Irving Weissman 和 Daniel Dan Liu 等開發(fā)了一種通過熒光激活細胞分選（FACS）純化不同NSPC亞群的方法，允許基于十多種細胞表面標記物的定量表達進行前瞻性分離。

研究流程圖

具體而言，研究團隊將高維流式細胞術(shù)與單細胞轉(zhuǎn)錄組學相結(jié)合，全面純化和功能表征了妊娠中期發(fā)育中的人腦中的神經(jīng)干細胞和不同的下游神經(jīng)祖細胞亞群（GW17-19）。與此同時，研究團隊還利用基于細胞表面標記物組合表達（免疫表型）的指數(shù)排序，直接將表面標記物表達與單細胞表達的轉(zhuǎn)錄組聯(lián)系起來，允許嚴格驗證排序純度。

從發(fā)育中的人腦中分離出NSPCs

基于此，研究團隊從17-19周大的人類胎兒中分離出腦細胞，并對細胞表面的11種蛋白質(zhì)進行了測試，其中包括6種與神經(jīng)細胞發(fā)育有關(guān)的蛋白質(zhì)。此外，他們還分析了RNA水平作為基因活性的衡量標準，并利用這些信息純化了10種可能產(chǎn)生星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元的細胞。然后，研究團隊將純化后的細胞注入小鼠大腦，并在6個月后分析了這些細胞及其后代的位置遷移，以及它們新獲的細胞身份。

人類神經(jīng)干細胞產(chǎn)生的人類星形膠質(zhì)細胞（綠色）在小鼠大腦（紅色和藍色）中生長

研究結(jié)果顯示，這種新的技術(shù)組合在組織處理和分選策略上允許同時純化10個定義的NSPC亞群，包括放射狀膠質(zhì)細胞（RG）、神經(jīng)元前體、少突膠質(zhì)細胞前體和星形膠質(zhì)細胞譜系細胞，并可以證明這些NSPC亞群在體外和體內(nèi)的功能特性。

研究模式圖

通過這項新技術(shù)，研究團隊確定了一種在轉(zhuǎn)錄組上獨特的雙能神經(jīng)膠質(zhì)祖細胞（GPC），這類細胞只產(chǎn)生星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞。有意思的是，小鼠大腦中的GPC細胞比人類大腦更稀疏，Daniel Dan Liu 認為這種特殊的細胞類型可能對靈長類動物大腦的特定適應很重要。

雙能神經(jīng)膠質(zhì)祖細胞（GPC）的鑒定

此外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)，一種名為Thy1的蛋白質(zhì)的高水平表達與少突膠質(zhì)細胞譜系有關(guān)，這與以前的發(fā)現(xiàn)背道而馳，此前的研究認為Thy1是神經(jīng)元而不是少突膠質(zhì)細胞的分子標記。當然，這種差異也可能是新方法提高了不同細胞類型的分辨率的結(jié)果，因此這項技術(shù)也可能對研究其他種類的干細胞十分有用。