從2020年開始，
清華大學
時松海課題組
陸續在
Nature、
Nature Neurosci
和Cell Reports
等雜誌
發表大腦皮層發育領域相關領域的成果。
下面，我們一起來學習吧：
01
北京時間2022年6月20日晚23時，清華大學
時松海課題組
在
Nature Neuroscience
雜誌線上發表了題為“Metabolic lactate production coordinates vasculature development and progenitor behavior in the developing mouse neocortex”（乳酸代謝調控小鼠大腦新皮層血管生長和神經前體細胞行為）的研究論文。
該研究揭示了大腦新皮層發育過程中的早期增殖型放射狀膠質前體細胞（Radial glia progenitor，RGP）具有更強的糖酵解代謝能力並大量合成和分泌乳酸，進而調節血管生長及其自身增殖分裂特性。
大腦新皮層是神經系統的最高階中樞，理解大腦新皮層的發育組裝及工作機制是腦科學乃至整個自然科學的終極目標之一。研究大腦新皮層的發育及其調控機制有助於更好地理解其細胞組成和結構特性，進而推動生理功能和執行工作機制的認知，同時對相關疾病的診斷治療有著至關重要的意義。大腦新皮層是進化的末期產物，其發育是一個高度複雜且受到多種因素的共同調節的生物學過程，這也為系統性研究其內在機制帶來了諸多挑戰。為此該研究從細胞最為基本特徵—細胞代謝的角度出發，揭示了細胞代謝方式及相關產物在調控大腦新皮層發育過程中的關鍵作用和機制，為更好的理解大腦皮層發育機制提供了重要的理論補充。
放射狀膠質前體細胞（RGP）是大腦發育最為關鍵的一種神經前體細胞，其分裂產生大腦皮層幾乎所有的神經元和膠質細胞。在小鼠發育早期（E10。5-E11。5），大腦新皮層中幾乎沒有血管生長，此時RGP以對稱分裂進行增殖。伴隨著血管的生長，RGP也隨之改變其分裂方式，以不對稱分裂進行神經細胞產生。基於單細胞代謝狀態分析，該研究首先發現大腦新皮層發育過程中，隨著RGP譜系發生過程的進行，RGP及其子代細胞具有不同的代謝狀態，並呈現出不同的代謝特徵。在此基礎上，結合基因表達分析、細胞代謝型別分析以及碳代謝流分析多方面研究，進一步發現進行對稱分裂的增殖型RGP具有更強的糖酵解代謝能力，並大量合成和分泌乳酸，而進行不對稱分裂的分化型RGP具有更強的氧化磷酸化代謝能力，並積累高濃度的乙醯輔酶A。
圖1： 單細胞代謝狀態分析揭示神經細胞代謝特徵
為深入探討細胞代謝方式與大腦新皮層發育的相互關係，研究者考察了具有強糖酵解代謝能力的增殖型RGP對早期大腦新皮層發育的影響，發現當抑制增殖型RGP的乳酸合成或分泌，導致大腦新皮層中乳酸濃度降低，血管生長出現缺陷。進一步分析發現，乳酸可以透過調節趨化因子配體CXCL1的表達來調節血管內皮細胞的遷移和增殖。此外，研究者發現抑制增殖型RGP的乳酸合成代謝會系統性改變其基因表達譜並重塑細胞代謝方式，導致RGP過早分化。為探討這一內在機制，研究者發現與分化型RGP相比，增殖型RGP呈現出更長的線粒體形態，抑制或阻斷乳酸合成或分泌都會導致線粒體長度大幅度縮短，進而導致RGP分化。該結果表明增殖型RGP透過加強乳酸合成來影響線粒體形態，進而保持其對稱分裂增殖特性。
圖2： 乳酸合成代謝調控早期大腦新皮層發育
清華大學生命科學學院
時松海教授
為本文通訊作者，清華大學生命科學學院2017級博士
董曉翔
為本文第一作者。清華大學生命科學學院張強強博士和馬健博士、清華大學生命科學學院博士研究生於翔宇和王玎，以及美國達特茅斯學院本科生馬嘉明為本文共同作者。該研究得到了清華大學實驗動物中心和生物醫學測試中心的大力協助和支援。
該研究獲得了國家自然科學基金委創新群體基金、國家科技部腦科學與類腦研究基金、北京市教育委員會卓越青年科學家計劃、北京市科技委員會科技計劃、北京生物結構前沿研究中心、生命科學聯合中心和北京腦科學與類腦研究中心的資助。
相關論文資訊：
https：//doi。org/10。1038/s41593-022-01093-7
02
2021年3月16日，清華-IDG/麥戈文腦科學研究院、清華大學生命科學學院、時松海團隊與劍橋大學戈登研究所Benjamin D。 Simons團隊合作，在細胞出版社旗下期刊《Cell Reports》以長文形式發表了題為“
大腦新皮層神經膠質細胞發生的特異性前體細胞行為及其與腫瘤發生的關聯
”（
Distinct progenitor behavior underlying neocortical gliogenesis related to tumorigenesis
）的研究論文，
闡明瞭
大腦新皮層中神經膠質細胞發生的程式，並提示神經膠質前體細胞的行為異常與神經膠質瘤的發生相關
。
神經元和神經膠質細胞是哺乳動物大腦新皮層基本細胞組成，幾乎都由放射狀膠質細胞（Radial glial progenitors，RGPs）分裂產生。時松海團隊之前的研究在單細胞水平系統定量地揭示了RGPs的規律分裂行為和神經元發生細胞程式（
Gao et al。， Cell 2014
）；然而，目前對神經膠質細胞的發生機制還知之甚少。
在本文中，透過對小鼠大腦新皮層RGPs進行系統性的雙熒游標記的嵌合分析（Mosaic analysis with double markers， MADM），在單細胞水平確定了RGPs進行神經膠質發生的細胞程式。在發育過程中，RGPs逐漸完成從神經元發生到神經膠質細胞發生的轉換，在胚胎期第16天（E16）達到峰值，E17基本完成轉換，約16%左右的RGPs可產生神經膠質細胞。有意思的是，單個RGP按照特定比例進行神經膠質細胞產生，其中星形膠質細胞發生：少突膠質細胞發生：星形膠質細胞和少突膠質細胞發生約為 60%：15%：25%，最終形成三種特定譜系的膠質細胞克隆。另外，單個RGP透過相對隨機過程產生命運受限的神經膠質中間前體細胞，進而產生數量相對確定的同一亞型或分化狀態的星形膠質或少突膠質細胞，並形成區域性克隆簇。另外，星形膠質細胞發生和少突膠質細胞發生是相互獨立的。以上研究系統定量地闡明瞭新皮層神經膠質細胞發生的基本細胞機制。
為了進一步研究神經膠質細胞發生的分子調控機制，本文利用MADM系統的特性研究了腫瘤抑制蛋白Neurofibromin 1（ NF1）在單細胞水平上對RGP行為、神經發生和神經膠質細胞發生的調控。雖然神經元和神經膠質細胞都起源於RGPs，但在RGPs中去除NF1顯著增加神經膠質細胞產生，不影響神經元的產生。更有意思的是，雖然NF1缺失顯著增加了星形膠質細胞和少突膠質細胞的數量，但對這兩類細胞的影響程度和細胞調控機制是不同的。NF1的缺失導致星形膠質細胞增加約2倍，但少突膠質細胞增加超過15倍。進一步研究表明，NF1的缺失導致單個RGP產生的星形膠質中間前體細胞數量增加，但不影響單個星形膠質中間前體細胞的產出；相比之下，NF1的缺失不僅顯著性增加了少突膠質中間前體細胞的數量，也大大促進了單個少突膠質中間前體細胞的產出，可導致巨型少突膠質細胞克隆的形成。這些研究不僅闡明瞭RGPs在神經元和不同神經膠質細胞發生中的不同行為和調控機制，也提示少突膠質細胞譜系發生可能與腦腫瘤起源密切相關。
（左）MADM標記的大腦新皮層進行神經發生到神經膠質細胞發生轉變的單個RGP克隆（綠色/EGFP為神經元，紅色/tdTomato為神經膠質細胞；第1-6層中為離散的星形膠質細胞區域性克隆簇，白質（white matter， WM） 中為少突膠質細胞區域性克隆簇，紫色為OLIG2免疫熒游標記。）
（右）大腦新皮層RGP進行神經膠質發生細胞程式。I-APC，中間星狀膠質前體細胞；I-OPC，中間少突膠質前體細胞。
時松海
教授與
Benjamin D。 Simons
教授為本文的共同通訊作者，清華大學生命學院博士後
沈忠福
和博士生
林陽
為本文共同第一作者。時松海實驗室博士生楊嘉俊和Benjamin Simons實驗室David Jörg博士負責本文中資料定量分析。清華大學博士生彭榆瑋、技術員張秀麗、本科生徐一帆（現為華盛頓大學博士生）、助理研究員馬健博士以及康奈爾大學醫學院Luisirene Hernandez博士同樣做出重要貢獻。該研究獲得了北京市卓越青年科學家專案、北大清華生命科學聯合中心、北京生物結構前沿研究中心、國家自然科學基金、北京腦科學與類腦研究中心計劃、清華大學結構生物學高精尖創新中心、霍華德休斯醫學研究所和清華大學水木學者專案的經費支援。該研究得到了清華大學生物醫學測試中心實驗動物中心的大力協助和支援。
參考文獻：
Gao， P。， Postiglione， M。 P。， Krieger， T。 G。， et al。 Deterministic progenitor behavior and unitary production of neurons in the neocortex。 Cell， 2014， 159（4）： 775-788。
03
2020年3月25日，清華大學IDG-麥戈文腦科學研究院、生命科學學院
時松海教授
和結構生物學高精尖創新中心
史航研究員
課題組在
Nature
雜誌線上發表了題為“
Centrosome anchoring regulates progenitor properties and cortical formation
”（中心體的錨定調控神經前體細胞特性和大腦皮層的形成）的研究論文，
首次揭示了中心體調控哺乳動物大腦皮層神經前體細胞機械特性和分裂能力，進而影響大腦皮層的大小和摺疊的嶄新機制。
在這篇文章中，研究人員首先採用基於透射電鏡成像的連續超薄切片技術對胚胎期小鼠腦組織進行觀察，首次觀察到了放射狀膠質細胞內的中心體是透過附著在母體中心粒上的遠端附屬物
（distal appendages）
錨定在頂端細胞膜上的
（圖1 ）
。
為了探索中心體定位的分子調控機制和生理功能，研究人員特異性地去除了大腦皮層放射狀膠質細胞內遠端附屬物的重要構成蛋白CEP83，使得母體中心粒上不再形成遠端附屬物，導致中心體和頂端膜發生微小的錯位，從而阻止了中心體與細胞膜的錨定和連線
（圖1）
。
【圖1】中心體透過遠端附屬物錨定在頂端膜上。
有趣的是，特異性地破壞放射狀膠質細胞內中心體的錨定後，小鼠成年後的腦皮層體積明顯增大，且在皮層的背側中縫區普遍存在異常摺疊
（圖2 A）
。進一步的研究發現這一異常表型來源於放射狀膠質細胞在神經發生早期的過度增殖和之後中間前體細胞的增多
（圖2 B）
。
【圖2】CEP83特異性敲除導致皮層體積增大和異常摺疊。
神經發生的異常是如何導致的呢？再進一步的研究發現中心體這一不足1微米的錯位破壞了頂端膜上特有的環狀微管結構，導致頂端膜被拉伸、變硬。頂端膜物理特性的改變引起了放射狀膠質細胞內機械敏感訊號通路相關的YAP蛋白
（Yes-associated protein）
的過度啟用，從而導致了放射狀膠質細胞前期的過度擴增以及之後中間前體細胞的增多，最終使得大腦皮層神經細胞數量顯著增加，皮層體積擴大，並引發異常摺疊。與之相吻合的是，同時特異性敲除YAP可以恢復皮層體積至正常水平，不再發生摺疊（圖3）。
【圖3】中心體錨定調節放射狀膠質細胞頂端膜機械特性和YAP訊號，導致神經細胞數量增多和皮層體積擴增。
該研究解決了長期以來關於放射狀膠質細胞內中心體特殊定位的原因和作用謎題，為研究神經前體細胞行為和皮層發育調控提供了全新的角度。另外，之前研究表明中心體蛋白相關的突變一般與小頭症
（microcephaly）
緊密相關，然而該研究發現中心體蛋白突變導致大頭症，並首次揭示了其機制。更重要的是，人類CEP83雙等位基因突變會導致腦室體積增大，智力障礙和小兒腎消耗症，該研究為揭示人皮層形態和智力異常提供了重要線索。
康奈爾醫學院的
Wei Shao
與清華大學生命科學學院的博士生
楊嘉俊
為本文共同第一作者。北京大學生命學院博士生
賀明
、清華大學生命學院博士生
於翔宇
、康奈爾醫學院
Zhaohui Yang
、紀念斯隆凱特琳癌症研究中心
Alexandra L。 Joyner
、
K
athryn V。 Anderson
、
Meng-Fu Bryan Tsou
、紐約大學醫學院
Choong Heon Lee
、
Jiangyang Zhang
參與本文研究。清華大學
時松海
教授和
史航
研究員為本文共同通訊作者。
原文連結：
https：//doi。org/10。1038/s41586-020-2139-6
整理：brainnews編輯部