海馬體位于大腦丘腦和內側顳葉之間，屬于邊緣系統的一部分，在信息編碼、短時記憶、長時記憶、空間導航等方面發揮著重要作用，而且海馬體和癲癇、智力障礙、阿爾茨海默病等多種病理的發病機制密切相關。但是目前對于人類海馬體的發育與分子特征仍然缺乏清晰地認識。

今天小編為大家介紹一篇2020年1月15日中科院生物物理研究所研究員王曉群團隊聯合北京師范大學吳倩團隊聯合發表在Nature上的一篇關于人類大腦海馬體發育的文章，深入探究并揭示了海馬體動態變化的發育過程以及記憶功能環路形成的分子機制。

文章信息：

題目：Decoding the development of the human hippocampus

DOI：10.1038/s41586-019-1917-5

組學技術：scRNA-Seq、ATAC-Seq

單細胞轉錄組和表觀遺傳組測序

樣本信息：7個不同胚胎發育時期的海馬組織

實驗分組：發育不同時期的胚胎

GW16、GW18、GW20、GW22(n=2)、GW25、GW27

單細胞捕獲平臺：10X Genomics 平臺

細胞數量：共30416個細胞

分析思路：

 

研究者通過對人腦不同發育時期的海馬體進行單細胞轉錄組和表觀遺傳組測序及系統分析，解析出人腦海馬體發育過程中的不同細胞類型及關鍵的分子特征與調控網絡。t-sne分析和細胞類型鑒定，詳細描繪了發育16-27周的胚胎海馬的細胞圖譜。分為祖細胞、興奮性神經元(EXN)、抑制性神經元(INN)、Cajal Retzius細胞、星形膠質細胞、少突膠質細胞前體細胞(OPC)、少突膠質細胞、小膠質細胞和內皮細胞。通過差異基因篩選鑒定CA1、CA3和齒狀回神經元的區域marker基因；GO分析揭示了興奮神經元神經發生和成熟的關鍵階段。細胞周期分析和擬時序分析，鑒定PAX6+和HOPX+海馬祖細胞的遷移路徑和細胞譜系，突破性的發現這群祖細胞在神經發生和膠質發生中都起作用。WGCNA和ATAC多組學聯合分析篩選得到海馬發育相關的轉錄調控網絡。

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④ScRNA-Seq||單細胞轉錄組測序數據分析之擬時序分析

⑤單細胞轉錄組測序數據分析之SCENIC分析——尋找細胞群體中的驅動基因

主要研究成果

接下來，小編將從以下4個方面為大家詳細介紹一下這篇文章中的主要研究成果。

1. 人腦海馬體的單細胞轉錄組分析

研究者通過對GW16-27的胚胎海馬進行t-SNE分析分為47個細胞亞群，并細胞類型及鑒定為祖細胞、興奮性神經元(EXN)、抑制性神經元(INN)等9類。通過對發育后期的海馬進行ATAC-Seq，結果發現海馬體發育的關鍵轉錄因子—— P ROX1的啟動子區域具有LEF1和TCF4的結合位點，揭示WNT信號通路對齒狀回(dentate gyrus，DG)的形成具有至關重要的作用。（圖1a-f）

海馬體和前額葉皮層區域（PFC）協同發育，共同調控空間記憶和情緒相關記憶中的信號通路。研究人員為了探究海馬體與PFC發育中的差異，對二者的細胞聚類比較分析，結果表明二者在所有細胞類型均有所差異，主要表現為：1.分子特征表達差2.二者神經元的發育成熟軌跡有差異；3.少突膠質細胞發生階段。（圖1g-l）

圖1 胚胎發育中海馬單細胞的分子多樣性

2.發育中的海馬體祖細胞

研究者通過擬時序分析，分離出PAX6+和HOPX+祖細胞向神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞的發育路徑，進一步揭示海馬發育中的細胞譜系關系，突破性的發現PAX6+和HOPX+祖細胞不僅是神經源性祖細胞，而且在膠質細胞發生中也起作用。（圖2a-b）

通過對不同發育時期的胚胎海馬體進行免疫熒光染色，系統的闡述了海馬的動態發育過程及PAX6+和HOPX+祖細胞從不同方向和遷移軌跡進入海馬體，共同促進海馬體的神經元和膠質細胞的發生。（圖2c-i）

圖2 胚胎發育中海馬祖細胞的分子特征

3.發育中的海馬神經元

研究者對海馬神經元表征差異表達基因并經原位雜交驗證了人類海馬體的區域marker基因：SEMA5A（DG區），PID1（CA1區），SULF2（CA3區），NRIP3（CA3區）。通過擬時序和成熟度分析，表明CA1神經元比CA3和DG神經元更成熟。GO分析揭示了興奮神經元神經發生、成熟的三個關鍵階段：GW16-18：神經發生；GW20-22：軸突發生，神經元逐漸成熟；GW25-27 ：功能發育。（圖3a-g）

通過加權基因共表達網絡分析(WGCNA)，篩選得到與DG發育相關的基因模塊和轉錄調控網絡。通過對抑制性神經元的細胞譜系關系分析和擬時序分析，描繪了來源于MGE和CGE的海馬抑制性神經元的衍化過程（圖3h-l）

圖3 胚胎發育中海馬神經發生的動力學研究

4.發育中的海馬進化特征

海馬體是脊椎動物大腦中進化保守的器官，但是在長期進化中人類海馬體是否有所變化呢？研究者通過對人類和嚙齒類動物海馬發育不同階段的轉錄組數據進行相關性分析，發現胚胎期發育16-20周的海馬體和小鼠出生后0-5天的狀態相似，這表明與嚙齒類動物相比，人類海馬體更早地進入發育期，但其發育期要持續更長時間。研究者接著對人類與嚙齒類動物的差異基因分析，篩選得到人類海馬體特有的基因，如STX10, CHMP4A, BEX5,和NBPF1等，并通過原位雜交和ATAC-Seq確定了這些基因的mRNA定位和轉錄調控位點。（圖4a-c）

其中，NBPF基因家族是靈長類動物特有的，與大腦的進化和復雜性有關。因此，研究者通過給胚胎小鼠體外注射使其表達NBPF1基因。實驗觀察發現，隨著小鼠海馬體的發育，DG區域顯著膨大，顆粒細胞數量顯著增加。為進一步探究NBPF1如何調控海馬發育，研究者進行 ATAC-Seq分析，并對小鼠顆粒細胞進行單細胞定量RT-PCR，結果一致發現NBPF1通過LHX2調節海馬發育的分子機制。

圖4 胚胎發育中海馬表達的特異性基因

 

綜上所述，本研究系統地分析了胚胎發育中海馬體的scRNA-seq和ATAC-seq數據，詳細的闡述了人類海馬在發育中的細胞多樣性、動態發育軌跡、轉錄調控網絡和信號轉導途徑。跨物種比較了人類與嚙齒類動物海馬體進化過程中的關鍵差異，全面揭示了海馬體發育的關鍵時間點以及關鍵基因，為相關疾病的治療奠定了堅實的基礎。

 

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1917-5