【Science】中国科学院刘赐融团队：揭示小脑皮层的跨物种单细胞空间转录组图谱

2024年9月，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心刘赐融团队在期刊《Science》上发表了题为“Cross-species single-cell spatial transcriptomic atlases of the cerebellar cortex”的研究论文。在这项研究中，团队使用大规模单核RNA测序（sn-RNA-seq）和空间转录组方法来绘制猕猴、狨猴和小鼠小脑皮层中的基因表达。团队的目标是识别灵长类动物特异性细胞亚型及其空间组织，比较不同物种的3D基因表达模式，并阐明这些模式与小脑皮层功能连接的关系。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado3927

研究介绍

01

小脑对于运动控制和认知功能至关重要。单细胞转录组学揭示了小脑细胞的大量分子和细胞多样性，但大多数研究都集中在小鼠小脑上。了解灵长类动物大脑的不同细胞和分子特征，这可能是灵长类动物特异性功能的基础，代表了重要的科学兴趣。

团队在所有物种的前、后和前庭区域发现了不同的基因表达谱，而区域选择性基因表达，主要在灵长类动物的颗粒层和小鼠的浦肯野层中观察到。小脑皮层中的基因表达梯度与清醒功能磁共振成像显示的功能连接梯度非常匹配，灵长类动物和小鼠之间的小叶特异性差异，比两种灵长类动物之间的小叶特异性差异更大。这些全面的图谱和比较分析，为了解小脑进化和功能提供了基础。

研究进展

02

使用sn-RNA-seq和空间转录组方法，团队生成了猕猴、狨猴和小鼠的综合单细胞空间转录组小脑图谱。团队的分析确定了浦肯野细胞的两种灵长类动物特异性亚型 （小脑皮层的唯一输出神经元），它们表达不同水平的基因GRID2，该基因编码delta2谷氨酸受体。具有高和低GRID2表达水平的灵长类浦肯野细胞分布在不同的微结构域中，在小脑小叶中丰度不同。这些亚型显示出其他谷氨酸受体亚基和长期抑郁（LTD）相关基因的表达模式存在差异，表明它们在突触可塑性和学习机制方面的潜在可变性。团队还鉴定了分子层中间神经元和颗粒细胞的灵长类动物特异性亚型，它们分别与GRID2和neurexins的不同表达水平相关，表明整个灵长类动物小脑的细胞多样性。

小脑皮层分子和细胞组织的跨物种比较。

团队的高分辨率3D空间转录组学分析，揭示了不同小脑层和区域的基因表达的不同空间模式，具有显著的物种特异性差异。对于所有3个物种，团队发现，前后区域之间的基因表达模式，比蚓部和半球之间的基因表达模式差异更大，并且前庭区域显示出最大的区域特异性基因表达。在灵长类动物中，区域富集的基因表达主要在颗粒层中观察到，而在小鼠的浦肯野层中更为明显。

通过对清醒动物进行功能磁共振成像（MRI），团队获得了小脑皮层的功能连接模式，并将连接信息与所有3个物种的空间转录组数据相结合。3D综合分析显示，小脑皮层中的整体基因表达模式与功能连接模式密切相关。对于这两种模式，团队观察到灵长类动物和小鼠之间的小叶特异性差异，比两种灵长类动物之间的差异更大。许多在特定区域富集的基因与功能连接模式相关，表明它们在建立小脑连接和功能方面的潜在作用。

研究结论

03

团队的研究提供了猕猴、狨猴和小鼠小脑皮层的全面单细胞空间转录组图谱，揭示了灵长类动物特异性细胞类型和空间基因表达模式，以及小脑转录组与其功能连接之间的关系。这些发现增强了团队对小脑皮层细胞和分子特征的理解，为未来研究小脑功能和疾病提供了宝贵的资源。

参考资料：

1.C. I. De Zeeuw, S. G. Lisberger, J. L. Raymond, Diversity and dynamism in the cerebellum. Nat. Neurosci. 24, 160–167 (2021).

2.M. King, C. R. Hernandez-Castillo, R. A. Poldrack, R. B. Ivry, J. Diedrichsen, Functional boundaries in the human cerebellum revealed by a multi-domain task battery. Nat. Neurosci. 22, 1371–1378 (2019).