在哺乳动物端脑的发育中，一般认为神经元尤其是抑制性中间神经元来源于胚胎时期腹侧端脑的神经节隆起（GE）中的神经祖细胞，这些细胞经过长距离的切向神经迁移达到背侧端脑，与皮层祖细胞产生的局部短距离径向迁移的兴奋性神经元一起组成大脑皮层的结构。最近基于人类胚胎细胞培养和脑类器官的体外研究提示，大脑皮层神经祖细胞也可能成抑制性神经元，但因在成年人体内尚无方法证实而存在争议【1-4】。由于技术手段、精度、样本的限制，对人类早期胚胎发育的认识常来源于动物模型或体外模型。嵌合突变是发生在同一个体一部分细胞中的自发突变。在胚胎发育中，突变被子代细胞继承，通过嵌合突变在成体组织中的分布和不同细胞类群中呈现出不同比例。杨晓旭等开发了DeepMosaic，MPAS，MFNS等一系列方法（详见BioArt报道：NBT丨杨晓旭等开发基于深度学习的嵌合突变检测工具DeepMosaic；Cell | 杨晓旭等发现正常男性精子基因组中的可遗传嵌合突变）【5-7】在不同细胞类群中精确测定嵌合突变的比例，进而计算样本或特定细胞类群之间的遗传相似性，揭示人类早期发育事件。2024年4月10日，加州大学圣地亚哥分校医学院神经生物学系、犹他大学Changuk Chung和杨晓旭博士为共同第一作者、Joseph Gleeson教授为通讯作者在Nature上发表了文章Cell-type-resolved mosaicism reveals clonal dynamics of the human forebrain。研究发现：1）海马体中的局部兴奋性神经元的谱系与新脑皮中的兴奋性神经元或基底神经节中的局部GAPA能抑制性神经元有较大区别；2）利用嵌合突变比例推断并以单细胞的DNA-RNA共同测序验证，作者发现皮层中的DLX1+抑制性中间神经元中平均有约60%来源于背侧，可能是通过短距离径向迁移到达皮层的，另外40%来源于腹侧，可能通过 长距离切向迁移到达皮层；3）通过对同一顶叶的17个位点密集取样，作者证实大脑前后轴向划分先于背腹谱系划分，验证了作者之前提出的大脑皮层左右-前后-背腹发育模型【5】。
作者收集了两位捐献者的大脑皮层 (CTX)、海马体 (HIP)
、基底神经节 (BG)、丘脑、小脑、心脏、肝脏、肾脏、皮肤等组织样本，通过300x全基因组整体测序和系统的嵌合突变检测方法【5-7】鉴定并通过10000x扩增子重测序方法MPAS定量验证了数百个可信的嵌合突变位点。在每个部位的样本中，利用改进的MFNS法荧光分选出TBR1+的兴奋性神经元、DLX1+的抑制性神经元、COUPTFII+的皮层中来源于神经节隆起的抑制性神经元亚型等细胞群体并且利用MPAS对其进行突变等位基因比例定量。最后对荧光分选出的NeuN+单核进行ResolveOME和snMPAS单核基因组-转录组共测序，验证不同细胞群体的谱系关系。通过叠加计算所有嵌合位点在数百个样本中各自不同的比例关系推断细胞谱系的遗传学相似度和早期胚胎发育中的谱系关系（图1）。
通过对这些嵌合突变的整体遗传相似度分析，作者首先发现海马体来源样本的遗传相似度小于大脑皮层与基底神经节。为了排除神经迁移的影响，使用每个部位没有经过长距离迁移的的局部神经类群（海马体中的兴奋性神经元、新脑皮中的兴奋性神经元、基底神经节中的GABA能抑制性神经元）进行比较，在两位捐献者中仍然呈现出相同的趋势。结果表明海马体中细胞独特的细胞谱系结构应来源于内部成体神经发生时的克隆扩增。作者进一步利用嵌合突变比例研究不同脑区中兴奋性神经元和不同抑制性神经元亚群的遗传相似度。通过MFNS分选，作者在每位捐献者的每个脑区中分选出TBR1+的兴奋性神经元、DLX1+的抑制性神经元、COUPTFII+的来源于腹侧神经节隆起抑制性神经元亚型，MPAS分析发现COUPTFII+标记的来源于腹侧神经节隆起的抑制性神经元亚型彼此之间有极高的相似性，表明其拥有共同来源。与之相对，DLX1+标记的主要抑制性神经元类群与相应脑区的兴奋性神经元类群有更高的遗传相似性，这个现象在两位捐献者的四个大脑半球的每个脑区间独立存在并彼此印证。作者进一步通过计算模拟和单核转录组测序证实实验中所用方法的分选精度（抗体特异性或其他类型细胞污染）不会影响这个结论，并且推断出背侧来源抑制性神经元应该具有的嵌合突变比例，从而计算出总抑制性神经元类群中背侧和腹侧来源的抑制性神经元在每个脑区中的等位基因比例。作者随后通过线性回归模拟计算出平均60%的抑制性中间神经元来源于背侧，这是导致整体DLX1+抑制性神经元在每个脑区内都与对应的兴奋性神经元有较高的遗传相似度的原因。这些结果首次在成年人类大脑中证实抑制性神经元与兴奋性神经元确实共享皮层祖细胞，同时证实了整个大脑皮层上来源于神经节隆起的迁移细胞左右独立并且彼此遗传特征高度相似。这些结果得到了NEUN+分选的118个细胞核的单核转录组测序和基因分型实验的支持（图2）。
杨晓旭博士将于2024年9月担任犹他大学人类遗传学系助理教授，实验室致力于利用基因组嵌合突变研究各种生物学问题，包括利用嵌合突变研究人类早期胚胎发育、代际遗传、疾病和衰老等现象，开发嵌合突变检测和验证方法以及建立相关遗传学和生物信息学模型。长期招收实习学生、博士生、博士后研究人员和生物信息分析科学家。https://jinshuju.net/f/ZqXwZt或扫描二维码投递简历 杨晓旭
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07292-5
制版人：十一
1. Anderson, S.A., Eisenstat, D.D., Shi, L. & Rubenstein, J.L. Interneuron migration from basal forebrain to neocortex: dependence on Dlx genes. Science 278, 474-476 (1997).2. Letinic, K., Zoncu, R. & Rakic, P. Origin of GABAergic neurons in the human neocortex. Nature 417, 645-649 (2002).3. Delgado, R.N. et al. Individual human cortical progenitors can produce excitatory and inhibitory neurons. Nature 601, 397-403 (2022).4. Andrews, M.G. et al. LIF signaling regulates outer radial glial to interneuron fate during human cortical development. Cell Stem Cell 30, 1382-1391 e1385 (2023).5. Breuss,杨晓旭 M.W. et al. Somatic mosaicism reveals clonal distributions of neocortical development. Nature 604, 689-696 (2022).6. Yang, X. et al. Control-independent mosaic single nucleotide variant detection with DeepMosaic. Nature biotechnology 41, 870-877 (2023).7. Yang, X. et al. Developmental and temporal characteristics of clonal sperm mosaicism. Cell 184, 4772-4783 e4715 (2021).
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