小鼠胚胎早期內耳神經節單細胞轉錄組及其發育軌跡特征分析

發布時間:2022-03-22

  2022年3月22日,《Cell Reports》期刊在線發表了題為《Single-cell transcriptomic landscapes of the otic neuronal lineage at multiple early embryonic ages》的研究論文,該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)、神經科學國家重點實驗室、上海腦科學與類腦研究中心劉志勇研究組與中國科學院上海營養與健康研究所魏武研究組合作完成。該研究揭示了小鼠內耳神經節譜系在三個不同胚胎期E9.5, E11.5和E13.5的單細胞轉錄組特征,同時新發現了多種耳囊神經前體細胞及神經節亞型特異基因。該項研究結果為治療內耳神經節異常導致的平衡和聽覺功能障礙提供了新的理論基礎。

  內耳前庭神經節(VGN)和螺旋神經節(SGN)分別在維持機體平衡覺和感知聲音信息過程中起關鍵作用,其損傷或退化可導致平衡障礙和耳聾。其中,螺旋神經節對臨床上人工耳蝸的療效至關重要。雖然成熟的內耳前庭神經節和螺旋神經節具有不同功能,但它們都起源于胚胎早期的耳囊神經母細胞,也被稱作耳蝸前庭神經節前體細胞(CVG)。目前領域內有3個重要的問題亟待回答:1)耳蝸前庭神經節前體細胞是如何從耳囊中產生的?2)未分化的耳蝸前庭神經節前體細胞如何逐步分化為內耳前庭神經節和螺旋神經節?3)內耳前庭神經節和螺旋神經節在胚胎早期有幾種細胞亞型?系統地研究這些問題不僅有助于揭示小鼠內耳神經節發育的分子機制,也可以將這些發育過程中的關鍵基因或者基因網絡應用于再生和修復成年的內耳前庭神經節和螺旋神經節。

  該項研究利用10x Genomics單細胞轉錄組測序技術,揭示了小鼠內耳在胚胎早期的轉錄組特征(圖1A)。研究發現,隨著耳囊神經發生的進行,耳囊前腹側的細胞開始遷移出耳囊,并逐步失去上皮特征(圖1B)。在E9.5階段,部分Neurog1+的耳囊細胞,開始表達Insm1和Shox2,最終形成耳蝸前庭神經節前體細胞。在E9.5和E11.5之間,新耳蝸前庭神經節前體細胞的產生和舊耳蝸前庭神經節前體細胞的分化同時進行(圖1C,圖2)。內耳前庭神經節和螺旋神經節在E11.5已經呈現出顯著不同的基因表達譜。除了利用原位雜交和譜系追蹤實驗體內驗證耳蝸前庭神經節前體細胞,內耳前庭神經節和螺旋神經節在不同時期的特異基因之外,該研究還構建了2個新的轉基因小鼠模型Shox2-P2A-Cre/+和Casz1*3xHA-P2A-Tdtomato/+,可用于后續更精準的內耳神經節標記和基因功能分析。

  1小鼠胚胎早期耳囊轉錄組分析。(A)胚胎期E9.5,E11.5E13.5耳囊10xGenomics單細胞測序實驗示意圖。(BE9.5耳囊細胞可以分為上皮細胞群(灰色)及耳蝸前庭神經節前體細胞(CVG,粉色)。(CE11.5的耳囊神經譜系細胞分為三群,已分化的前庭神經節(VGN,藍色)和螺旋神經節(SGN,綠色)以及未分化的CVG細胞(粉色)。(DE13.5的內耳神經元分為未分化的CVG細胞(粉色),SGN(綠色)以及IVGN(紫色)和IIVGN(黃色)。 

  最后,研究人員把三個不同時期的未分化的耳蝸前庭神經節前體細胞,和正在分化的內耳前庭神經節和螺旋神經節聚合在一起進行發育軌跡擬合分析。研究結果表明在E13.5階段, 螺旋神經節亞型還沒有出現。與之相反,內耳前庭神經節譜系在E13.5階段已經存在兩種亞型(圖 2): Tlx3+/Sall3+/Gata3- I型內耳前庭神經節  Tlx3+/Sall3-/Gata3+ II型內耳前庭神經節。因此,內耳前庭神經節亞型出現早于螺旋神經節亞型。這些細胞亞型的具體神經功能將是未來的一個重要研究方向。 

  2耳蝸前庭神經節前體細胞胚胎早期發育的示意圖。 

  中科院腦智卓越中心劉志勇研究員、李超副研究員和營養與健康所魏武研究員為該論文的共同通訊作者;腦智卓越中心博士研究生孫雨薇和營養與健康所博士研究生王露悅為該論文共同第一作者,腦智卓越中心研究助理吳柏霖和朱彤,博士研究生王廣琴和羅正南也對課題做出了重要貢獻。該研究得到了中科院腦智卓越中心分子細胞技術平臺、光學成像平臺以及實驗動物平臺(實驗鼠房)的大力支持。該研究得到科技部、中科院、基金委、上海市的支持。   

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