Science | 突破体外神经元编程瓶颈!480种组合+70万单细胞解析,构建人类神经元亚型“百科全书”

人类兴奋性和抑制性神经元可以通过体外诱导多能干细胞（PSCs）表达先驱转录因子来诱导。这些诱导神经元（iNs）被广泛用于研究神经发育、分化和神经系统疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病和肌萎缩侧索硬化症。此外，程序化神经元显示出细胞替代疗法在神经损伤后恢复功能的前景。扩大神经元类型多样性的系统策略对于推动未来的突破至关重要。

该研究设计了一种系统的形态因子筛选方法，以探索不同的形态因子如何与前神经TFs一起从PSCs中产生不同类型的神经元。使用高通量单细胞RNA测序（scRNA-seq），该研究分析了480种独特形态形成条件组合中的近70万个细胞。该研究鉴定出与人体相似的多种iN亚型，包括来自前脑、中脑、后脑、脊髓和周围神经系统的神经元。这些iNs还与人类神经元具有相同的特征，即产生谷氨酸、GABA、多巴胺和乙酰胆碱等神经递质。此外，iN亚型的电活动模式的多样性也很明显，这表明它们在功能上是不同的。

从PSCs结合先锋TFs和参与神经系统发育的形态因子对人类神经元亚型进行编程（图源自Science ）

为了了解形态因子如何影响特定iN亚型的形成，该研究使用scRNA-seq数据来推断基因调控网络。该研究确定了关键的TFs及其下游靶基因，统称为调控子，它们被形态因子的组合激活，引导神经元进入特定的亚型。为了验证发现，该研究使用过表达和CRISPR-Cas9敲除等遗传方法来干扰关键的TFs。当关键TFs缺失时，形态形成因子不能再将iNs引导成特定亚型。相反，过表达关键TFs足以驱动没有形态因子的特定iN亚型的形成。该研究还发现，在诱导前神经TFs之前，将PSCs暴露于形态因子可以激活人类神经元中发现的调控，产生更统一、更接近人类初级神经元的iN亚型。

总之，该研究扩大了体外生成的人类iNs的多样性，并揭示了合作信号如何驱动细胞命运获取。该研究确定了指导iN亚型出现的规则，这将使未来特定神经元类型的培养成为可能。该研究的数据集将形态因子与细胞命运结果联系起来，特别适合于预测建模，以推断新条件下的细胞命运。总之，该研究的方法可以推广到神经元以外的各种细胞类型，并具有很大的潜力，可以促进对人类生物学、疾病机制和治疗创新的理解。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6121

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