來源：生物世界 2022-10-24 17:39
這些數據揭示了多模式單細胞基因組和類器官技術在了解人腦發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和單細胞技術重建人類發育生物學提供了一個框架。
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，這些發現并不能直接轉化到人類中。因為人腦具有區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, 以及缺乏系統操縱基因功能的方法, 研究控制人腦發育的機制始終是一項重大的挑戰。
2022年10月5日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的 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和單細胞技術重建人類發育生物學提供了框架。
近年來，利用人類干細胞在受控培養環境中生成復雜的大腦類器官（Brain Organoids）為理解人腦發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育成三維神經上皮細胞，這些細胞可以自我模式化、區域化，并最終形成不同腦區的神經元。
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育障礙。然而，在正常和干擾條件下協調人腦早期發育的基因調控網絡仍是未知的。
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據。該數據集來自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生。研究人員利用這些數據建立了一個大腦類器官發育的多組學圖譜，揭示了發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據并預測基因調控機制，研究人員開發了一個框架程序Pando，它結合了多組學數據和轉錄因子結合位點的預測，以推斷描述類器官發育的整個基因調控網絡。
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 是小鼠皮層發育調節因子，該基因突變可導致小鼠中樞神經系統畸形。過去，GLI3 在人類神經發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 在人類環境中參與細胞命運的建立，以及檢查潛在的發育機制，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 在內側神經節隆起（MGE）和外側/尾部神經節隆起（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現過。這項研究可以讓你使用來自多個單細胞的全基因組數據推測單個基因所發揮的作用；而且，這些在培養皿中的模型系統確實反映了 GLI3 在小鼠發育生物學中的作用。
在熒光顯微鏡下來自人干細胞的大腦類器官：GLI3 （紫色）標記前腦區域的神經元（綠色）前體細胞
該團隊還發現了培養基是如何以自組織的方式形成組織的，其結構在形態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點，就是它可以轉化到人類身上，不僅可以用于研究基礎發育生物學，還可以用于研究基因在疾病或發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可移植器官的組成部分。
總之，這些數據揭示了多模式單細胞基因組和類器官技術在了解人腦發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和單細胞技術重建人類發育生物學提供了一個框架。
