成年哺乳動物大腦中不斷的産生新的神經元和神經膠質細胞，這是一個與記憶、學習和壓力相關的關鍵過程。通常認為神經發生和少突膠質細胞的生成會随着年齡增長和神經病理情況而減少，但究竟減少到什麼程度還存在争議。此外，原祖細胞是通過嚴格的、複雜的表觀遺傳程式控制的，目前對其表觀遺傳學圖譜及其在衰老過程中如何變化的知識仍然有限。是以，定量捕捉新生細胞并追蹤其轉錄組和染色質狀态變化的新方法對于了解發育、衰老和疾病狀态下的細胞群動态至關重要。
最近，洛克菲勒大學的曹俊越團隊在CELL發表了題為Tracking cell-type-specific temporal dynamics in human and mouse brains的文章，利用TrackerSci并基于小鼠模型研究了不同年齡段以及阿爾茨海默病大腦中新生細胞的動态變化。
TrackerSci是一種單細胞組合索引方法，它整合了點選化學，通過使用EdU标記新合成DNA，以及用于轉錄組或染色質可及性分析的單細胞組合索引測序。本研究使用TrackerSci檢測了來自整個小鼠大腦的14,689個新生細胞的單細胞轉錄組和染色質可及性動态，這些細胞涵蓋了三個年齡階段和兩種基因類型的整個小鼠大腦。資料集揭示了大腦中不同的祖細胞類型及其表觀遺傳特征。該研究通過TrackerSci發現了幾種以前被忽視的增殖細胞類型，如血管細胞、蛛網膜屏障細胞和垂體幹細胞，還确定了各種新生細胞類型的分子特征，發現了比這些細胞的傳統标記物更具特異性的标記物，如神經發生标記物Tead2和Esco2，它們比著名的神經發生标記物（如Sox2和Dcx109）具有更高的特異性。與以往主要強調基因表達的研究相比，TrackerSci提供了新生細胞中基因表達和表觀遺傳的綜合視圖以探索基因表達特征背後的表觀遺傳基礎。
圖1 TrackerSci工作流程和實驗方案。
随着年齡的增長，祖細胞的自我更新和再生能力會下降，研究中觀察到不同祖細胞類型有不同的細胞反應。值得注意的是，衰老導緻神經元祖細胞的增殖潛能明顯降低，而反應性小膠質細胞的增殖能力增強。雖然少突膠質細胞祖細胞的增殖受到輕微影響，但中間分化前體在早期階段就顯著下降，這表明衰老主要阻礙了其分化過程。研究發現參與細胞增殖（如Ei24、Arhgap11a、Lzts1和Cep57）和神經發生調控（如Prdm10、Nrg1、Nrg3和Nr2f1）的驅動基因，在使用來自年輕和衰老大腦的NPCs進行CRISPR篩選時得到了進一步證明。此外，檢測到OPCs中Smpd4的表達随年齡增長而增加，Sgms1的表達随年齡增長而減少，這表明細胞神經酰胺水準高與衰老引起的少突膠質細胞分化抑制有關。
本研究進一步量化了與年齡相關的細胞類型特異性增殖和分化的變化，并破譯了相關的分子程式，同時将研究擴充到老年人腦中的祖細胞，發現了跨物種的保守遺傳特征，并确定了特定區域的細胞動态。
本研究展示了TrackerSci資料集作為檢測人腦中罕見增殖或分化細胞錨點的潛力。通過對老齡人腦五個解剖區域的近80萬單個細胞核進行分析，并與TrackerSci資料集進行整合，發現了老齡人腦中稀有祖細胞的區域特異性和細胞類型特異性特征，并觀察到了不同物種少突發生的保守和差異分子特征。雖然初步分析并未在老年人腦樣本中發現明确的神經發生相關群體（可能是由于神經發生細胞的固有稀缺性或對神經發生區域的非靶向取樣造成的），但發現小腦中的少突膠質細胞相對于其他腦區有所減少，并發現了特定區域的基因控制機制，并進一步強調了該技術在鑒定人類樣本增殖事件方面的潛力。
圖2 TrackerSci有助于識别人腦中增殖和分化的細胞
綜上所述，本研究通過對大腦新生細胞單細胞轉錄組和染色質可及性動态的全面觀察，可以深入了解與衰老相關的細胞類型特異性增殖和分化變化以及相關的分子程式，朝着了解衰老對哺乳動物大腦祖細胞增殖和分化潛能的影響邁出的關鍵一步。TrackerSci将被廣泛用于識别和量化不同系統的細胞生成過程，包括其他哺乳動物器官和人源化器官組織。類似的政策（即将sci-seq平台與體内細胞标記相結合）同樣适用于其他關鍵研究，如細胞類型特異性存活、凋亡和衰老狀态。這将有助于全面了解衰老過程中調控細胞類型特異性動态的分子程式，進而為衰老相關疾病患者恢複組織穩态的潛在途徑提供資訊。
參考文獻：Lu et al., Tracking cell-type-specific temporal dynamics in human and mouse brains, Cell (2023), https:// doi.org/10.1016/j.cell.2023.08.042
編譯作者：張建國（brainnews創作團隊）
校審：Simon（brainnews編輯部）