從分子層面鑒定大腦細(xì)胞

在顯微鏡下很難分辨出任意兩個(gè)神經(jīng)元的區(qū)別，所以科學(xué)家們轉(zhuǎn)向?qū)で蠓肿臃椒▉?lái)試圖鑒定功能各異的神經(jīng)元組。

現(xiàn)在，索爾克研究所和加州大學(xué)圣地亞哥分校的科學(xué)家**勾勒出了單個(gè)神經(jīng)元中的 DNA 分子化學(xué)修飾，給出了迄今為止關(guān)于某個(gè)大腦細(xì)胞為何有別于其鄰居的最詳細(xì)信息。這是開始鑒定存在多少種神經(jīng)元的關(guān)鍵一步，將大大提升對(duì)大腦發(fā)育和機(jī)能失調(diào)的理解。每個(gè)細(xì)胞的甲基化譜 (散布在 DNA 上的由甲基原子團(tuán)構(gòu)成的化學(xué)性狀模式) 都給出了獨(dú)特的讀數(shù)，幫助索爾克團(tuán)隊(duì)將神經(jīng)元分類為子類。這一工作已發(fā)表在 8 月 10 日的自然雜志上。

共同資深作者、索爾克基因組分子實(shí)驗(yàn)室主任、霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員 Joseph Ecker 教授說(shuō)道：“我們認(rèn)為我們的成果十分驚人，我們能將大腦梳理為單個(gè)的細(xì)胞，對(duì)它們的甲基化譜進(jìn)行排序，鑒定新的細(xì)胞類型以及它們的基因調(diào)控因子，即使這些神經(jīng)元相互區(qū)別的基因開關(guān)。”

以前，要鑒定是什么使得不同類型的神經(jīng)元產(chǎn)生這種差別的，研究者必須研究單個(gè)大腦細(xì)胞中 RNA 分子的層面。但當(dāng)細(xì)胞接觸到新的環(huán)境時(shí)，RNA 層面會(huì)迅速變化。因此索爾克團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了細(xì)胞的甲基化譜，甲基化譜一般在成年之后就穩(wěn)定了。

索爾克資深科學(xué)家、論文共同資深作者 Margarita Behrens 說(shuō)道：“我們的研究表明我們能基于神經(jīng)元的甲基化譜清楚地定義其類型，這就使得有可能理解是什么使得位于大腦同一區(qū)域并且看起來(lái)相似但行為方式不同的兩個(gè)神經(jīng)元產(chǎn)生這種差異的。”

該團(tuán)隊(duì)在小鼠和人類大腦中開始進(jìn)行研究，重點(diǎn)關(guān)注前額葉皮質(zhì)，這一大腦區(qū)域負(fù)責(zé)復(fù)雜思考、個(gè)性、社交行為以及決策等。團(tuán)隊(duì)從小鼠的前額葉皮質(zhì)中分離出了 3377 個(gè)神經(jīng)元，從死亡的 25 歲人類的前額葉皮質(zhì)分離出了 2784 個(gè)神經(jīng)元。

研究者隨后利用他們最近提出的一種名為 snmC-seq 的方法對(duì)每個(gè)細(xì)胞的甲基化譜進(jìn)行排序。神經(jīng)元不同于身體中的其他細(xì)胞，具有兩種甲基化，因此這一方法繪制了兩種——CG 甲基化 (包含胞嘧啶和鳥嘌呤的 DNA 序列) 和非 CG 甲基化。

他們發(fā)現(xiàn)按照甲基化模式，來(lái)自小鼠前額葉皮質(zhì)的神經(jīng)元可被分類為 16 個(gè)子類，來(lái)自人類前額葉皮質(zhì)的神經(jīng)元多樣性更強(qiáng)，可被分為 21 個(gè)子類。小鼠和人類大腦中抑制性神經(jīng)元，即向大腦中的訊息提供抑制信號(hào)的神經(jīng)元，的調(diào)節(jié)因子跨種保留相對(duì)于興奮性神經(jīng)元更多。這些成果為更好地理解人類大腦與其他動(dòng)物的區(qū)別打開了大門。

共同資深作者、加州大學(xué)圣地亞哥分校認(rèn)知科學(xué)系的 Eran Mukamel 說(shuō)道：“這一研究為大腦細(xì)胞的驚人多樣性打開了大門。”

研究者下一步打算擴(kuò)展他們的甲基化譜研究，檢查大腦中更多的部位，以及更多的大腦。

索爾克副研究員、論文共同作者 Chongyuan Luo 說(shuō)道：“大腦中有成百上千種功能和行為各異的大腦細(xì)胞，知道所有種類對(duì)于理解大腦運(yùn)作機(jī)理至為重要。我們的目標(biāo)是形成小鼠和人類大腦的細(xì)胞種類目錄。”

一旦完成了這個(gè)“目錄”，Ecker 稱他們就將開始研究患有腦部疾病的人的神經(jīng)元甲基化是否不同于健康人類。“如果只有百分之一的細(xì)胞有缺陷，運(yùn)用這一方法應(yīng)該能夠發(fā)現(xiàn)。到目前為止，我們?nèi)晕茨茉谶@么小比例的細(xì)胞中挑選出什么東西。”