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Science:利用單細胞甲基化組鑒定出新的神經元亞型

作者:生物谷 來源:轉化醫學 日期:2017-08-14
導讀

         在顯微鏡下,人們很難區分任何兩個神經元之間的區別。神經元是儲存和處理信息的腦細胞。因此,科學家們利用分子方法,試圖鑒定出具有不同功能的神經元群體。

        圖片來自Salk Institute/Jamie Simon。

        在顯微鏡下,人們很難區分任何兩個神經元之間的區別。神經元是儲存和處理信息的腦細胞。因此,科學家們利用分子方法,試圖鑒定出具有不同功能的神經元群體。

        如今,在一項新的研究中,來自美國沙克生物研究所和加州大學圣地亞哥分校的研究人員首次分析了單個神經元中的DNA分子發生的化學修飾,從而提供迄今為止最為詳細的信息來將一個腦細胞與它的相鄰細胞區分開來。這是開始鑒定大腦中存在多少種神經元類型的關鍵一步,從而可能有助更好地理解大腦發育和功能障礙。每個細胞的甲基化組(methylome),即散布在DNA上的由甲基基團組成的化學標記模式,給出一種截然不同的讀出值,從而有助這些研究人員將神經元分為不同的亞型。相關研究結果發表在2017年8月11日的Science期刊上,論文標題為“Single-cell methylomes identify neuronal subtypes and regulatory elements in mammalian cortex”。

        論文共同通信作者、沙克生物研究所基因組分析實驗室主任Joseph Ecker說,“我們認為我們將大腦分解為單個細胞,對它們的甲基化組進行測序,并且利用它們的讓這些神經元彼此之間區分開來的基因調節元件鑒定出很多新的細胞類型。”

        在過去,為了鑒定出是什么讓不同類型的神經元彼此之間區分開來,科學家們研究了單個腦細胞中的RNA分子水平。但是當細胞處于新的條件下,或者甚至在一天內,它們的RNA分子也能夠快速地發生變化。因此,這些研究人員轉向研究細胞的甲基化組,這些甲基化組在成年時通常是較為穩定的。

        論文共同通信作者、沙克生物研究所資深科學家Margarita Behrens說,“我們的研究表明我們能夠基于神經元的甲基化組鑒定出它們的亞型。這就使得理解是什么讓兩個神經元(它們位于相同的大腦區域,在其他方面看起來比較相似)作出不同的表現成為可能。”

        這些研究人員先是通過著重關注額葉皮層研究了小鼠和人類大腦。額葉皮層是大腦中負責復雜思維、社會行為和決策等的區域。他們從小鼠的額葉皮層中分離出3377個神經元,從一名死去的25歲的人的額葉皮層中分離出2784個神經元。

        這些研究人員隨后利用一種他們最近開發出的被稱作snmC-seq的方法,對每個神經元的甲基化組進行測序。不同于體內其他細胞的是,神經元具有兩種甲基化類型,因此這種方法繪制出這兩種甲基化類型:CG甲基化和非CG甲基化。

        他們發現基于甲基化模式,來自小鼠額葉皮層的神經元可分為16個亞型,而來自人類額葉皮層的神經元更加多樣化,可分為21個亞型。相比于興奮性神經元,抑制性神經元,即給大腦中的信息提供停止信號的神經元,在小鼠和人類之間表現出更加保守的甲基化模式。這項研究也鑒定出獨特的之前從未確定出的人神經元亞型。這些結果有助更加深刻地理解是什么讓人類大腦與其他動物的大腦區分開來。

        接下來,這些研究人員計劃擴大他們的甲基化組研究,研究大腦中更多的區域和更多的大腦。

        參考資料:

        Chongyuan Luo, Christopher L. Keown, Laurie Kurihara et al.Single-cell methylomes identify neuronal subtypes and regulatory elements in mammalian cortex.Science, 11 Aug 2017, 357(6351):600-604, doi:10.1126/science.aan3351

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