从进化角度观察哺乳动物小脑的发育

追踪人类、小鼠和负鼠发育过程中单个小脑细胞的基因表达谱，揭示了进化上保守的以及物种特异性的细胞和分子特征。

来源：https://www.nature.com/articles/d41586-023-03836-3

小脑是大脑后部一个紧密折叠的结构，具有许多功能，从控制运动和平衡到推理和语言等认知过程。尽管小脑的名字意思是“小脑袋”，但它包含了哺乳动物大脑中一半以上的神经元。从历史上看，人类非凡认知技能的进化被归因于新皮层(哺乳动物大脑的最大部分)的扩张，但很明显，在人类进化过程中，小脑与新皮层平行生长。然而，小脑进化变化的分子机制还没有像新皮层那样得到彻底的研究。我们开始比较控制哺乳动物小脑细胞多样性出现的发育程序。

我们从大约1.6亿年前的人类、小鼠(Mus musculus)和负鼠(Monodelphis domestica)身上采集了小脑样本，它们有着共同的祖先。我们将有袋负鼠包括在内，这是人类和老鼠的一个进化外类群，大约9000万年前它们相互分化。这种方法使我们能够推断祖先的状态，并辨别人类和小鼠在进化过程中出现差异的谱系。为了全面涵盖小脑的长期发育(在人类中延伸到出生后的第二年)，我们将每个物种的9-12个发育阶段包括在内。我们使用RNA测序技术来分析单个细胞中的基因表达，并检测组织切片中的信使RNA(mRNA)或蛋白质，以在空间上绘制基因表达模式和细胞类型。

基于这些数据集，我们对发育中的哺乳动物小脑中存在的细胞类型和状态进行了分类，并确定了该物种发育阶段之间的对应关系。对不同物种的细胞类型和发育阶段的仔细比对有助于比较细胞多样性和基因表达谱。我们发现，除了人类的浦肯野细胞外，小脑细胞类型生成的整体保守发育动力学。这些庞大而复杂的神经元充当中枢，整合小脑神经回路中处理的信号。在胎儿早期，人类的浦肯野细胞数量几乎是小鼠或负鼠的两倍，这种增加偏向于特定的浦肯耶细胞亚型。

我们还鉴定了1000多个基因，这些基因在整个物种中具有不同的表达谱；其中一些基因可能有助于小脑的进化适应。相反，我们还精确定位了具有保守细胞类型特异性表达谱的基因。它们表达的特异性至少有1.6亿年没有改变，这意味着这些基因在控制小脑细胞命运规范的核心祖先机制中发挥着至关重要的作用。

一些在人类和小鼠之间表现出不同表达谱的基因与神经发育障碍或儿童脑瘤有关。鉴于小鼠模型可能无法完全复制发病机制的所有方面，这些知识可以指导用于研究这些条件的模型系统的选择。此外，我们的人类小脑发育图为与各种疾病数据集的比较提供了参考。

我们没有评估谱系特异性或物种特异性基因和mRNA变体，这可能导致物种之间的差异，以及检测到的基因表达变化。需要进一步的工作来区分自然选择驱动的适应性变化和遗传漂移引起的适应性变化，遗传漂移是群体中遗传变异频率的随机波动。

下一个挑战将是表征导致观察到的基因表达差异的基因组序列的进化变化。哺乳动物基因组中有数百万种调控元件，其中大多数仅在短暂的发育窗口中用于特定的细胞类型。因此，需要有方法使研究人员能够在多个物种中大规模绘制这些元素的活动图。——Mari Sepp在德国海德堡的海德堡大学，Ioannis Sarropoulos在英国剑桥的Wellcome Sanger研究所。

专家意见：“作者描述了人类、小鼠和负鼠小脑细胞多样性的发育普查。他们报告了可能驱动细胞命运的核心转录因子级联的高度保守性。这一简短的转录因子列表为揭示细胞分化和成熟的分子机制提供了一条清晰的途径。保守性细胞类型标记将有助于生成针对特定群体进行功能研究的遗传工具。”——Trygve Bakken在美国华盛顿州西雅图艾伦脑科学研究所工作。

在文章的后面：Henrik Kaessmann领导的我们实验室先前的研究确定了许多在小脑发育过程中具有人类特异性表达轨迹的基因。这些观察结果使用了该组织中所有细胞的平均轮廓。为了更深入地研究，我们决定应用单细胞测序技术。为了收集样本，我们与英国人类发育生物学资源中心合作；布达佩斯Semmelweis大学的人脑组织库；以及柏林自然历史博物馆馆长Peter Giere。为了生成这些大型数据集，我们与海德堡德国癌症研究中心的Stefan Pfister团队合作。在精心建立方法后，尽管面临新冠肺炎大流行和研究所因洪水而关闭等挑战，但当我们观察到人类小脑细胞发育的独特特征时，我们感到非常兴奋。我们希望我们的比较数据集将促进对小脑进化、发育和疾病的进一步探索。——M.S.和I.S。