题目: 整个小鼠大脑中细胞类型的高分辨率转录组和空间图谱
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06812-z (opens new window)
Cite:Yao, Z., van Velthoven, C.T.J., Kunst, M. et al. A high-resolution transcriptomic and spatial atlas of cell types in the whole mouse brain. Nature 624, 317–332 (2023).

作者介绍：

Hongkui Zeng
Allen Institute for Brain Science, Seattle, WA, USA
hongkuiz@alleninstitute.org

Abstract:

哺乳动物大脑由数百万到数十亿个细胞组成，这些细胞按照特定的空间分布模式以及结构和功能特性组织成许多不同的细胞类型。在这里，我们报告了整个成年小鼠大脑的一份全面且高分辨率的转录组和空间细胞类型图谱。该细胞类型图谱是通过合并一个包含约700万个细胞的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据集（大约有400万个通过质量控制的细胞）和一个包含约430万个细胞的空间转录组数据集（MERFISH）而创建的。该图谱按照4个嵌套级别进行层次化组织：34个类别、338个子类别、1,201个超类型和5,322个簇。我们推出了一个在线平台，Allen Brain Cell Atlas，用于展示整个小鼠大脑细胞类型图谱，同时提供单细胞RNA测序和MERFISH数据集。我们系统地分析了整个大脑中的神经元和非神经元细胞类型，并发现了每种细胞类型的转录组特性与空间特异性之间存在高度对应。研究结果揭示了不同脑区中细胞类型组织的独特特点，特别是大脑的背侧和腹侧存在的二分性。背侧部分包含相对较少但高度不同的神经元类型，而腹侧部分包含更多的神经元类型，它们之间更为密切相关。我们的研究还揭示了不同细胞类型中神经递质和神经肽表达及共表达模式的多样性和异质性。最后，我们发现转录因子是细胞类型分类的主要决定因素，并确定了定义大脑所有部分细胞类型的组合转录因子编码。整个小鼠大脑的转录组和空间细胞类型图谱为整合性研究哺乳动物大脑的细胞和回路功能、发育以及进化奠定了基准参考图谱和基础资源。

Main:

哺乳动物大脑异常复杂，控制着生物体的多种活动，包括生命力、稳态、睡眠、意识、感觉、本能行为、目标导向行为、情感、学习、记忆、推理和认知等。这些活动由高度专业化但错综复杂的神经回路调控，这些回路由许多具有不同分子、解剖和生理特性的细胞类型组成。为了理解这个复杂系统中各种大脑功能是如何产生的，对构成大脑分子和解剖结构的细胞类型和回路的全面了解至关重要。
哺乳动物大脑的解剖结构由其发育计划和跨物种的进化本体论所定义。整个大脑由端脑（telencephalon）、间脑（diencephalon）、中脑（mesencephalon，也称为中脑）和后脑（rhombencephalon，也称为脑干）组成。端脑包括五个主要的脑结构：大脑皮层（isocortex）、海马结构（hippocampal formation，HPF）、嗅觉区域（olfactory areas，OLF）、皮层下板（cortical subplate，CTXsp）和脑核（cerebral nuclei，CNU）。前四个脑结构——大脑皮层、海马结构、嗅觉区域和皮层下板——构成了发育衍生的皮层结构，也总称为大脑皮层，而脑核来源于皮层下部，进一步分为纹状体（striatum，STR）和苍白球（pallidum，PAL）。间脑包括丘脑（thalamus，TH）和下丘脑（hypothalamus，HY）。端脑和间脑合称为前脑。后脑分为脑桥（pons，P）、延髓（medulla，MY）和小脑（cerebellum，CB）。在每个主要脑结构中，都有多个区域和亚区域，每个都包含许多细胞类型。

Results:

Figure 1: Transcriptomic cell-type taxonomy of the whole mouse brain.

Figure 1. 整个小鼠大脑的转录组细胞类型分类

(a) 左侧，338个亚类别的转录组分类树组织成一个树状图;在亚类别ID之后，条形图表示以下信息（从左到右）：主要神经递质类型，分析细胞的区域分布，每个亚类别的聚类数，每个亚类别的RNA-seq细胞分析数以及每个亚类别通过MERFISH分析的细胞数。
(b-e) UMAP表示所有细胞类型，按类别（b）、亚类别（c）、脑区域（d）和主要神经递质类型（e）进行着色。

Figure 2: Neuronal cell-type classification and distribution across the brain.

Figure 2. 神经元细胞类型的分类及其在大脑中的分布

(a-l) Pallium-Glut（a，b），Subpallium-GABA（c，d），HY–EA-Glut–GABA（e，f），TH–EPI-Glut（g，h），MB–HB-Glut–Sero–Dopa（i，j）和MB–HB–CB-GABA（k，l）邻域的UMAP表示（a，c，e，g，i，k）和代表性的MERFISH切片（b，d，f，h，j，l），按亚类别着色。

Figure 3: Modulatory neurotransmitter types and their distribution throughout the brain.

Figure 3. 调节性神经递质类型及其在整个大脑中的分布

(a,b) 包含释放调制性神经递质及其与谷氨酸和/或GABA多种共释放组合的神经元亚类别。UMAP表示按亚类别（a）和神经递质类型（b）着色。
(c) 代表性的MERFISH切片显示表达调制性神经递质的神经元类型的位置。

Figure 4: Non-neuronal cell types and immature neuronal types.

Figure 4. 非神经元细胞类型和未成熟神经元类型

(a) NN–IMN–GC邻域的UMAP表示，按亚类别着色。轮廓显示细胞类别。
(b-d) 对a中指示的三个亚群进行了突出并进一步调查：星形胶质细胞（b），室管膜细胞（c）和VLMCs（d）。星形胶质细胞（b），室管膜细胞（c）和VLMCs（d）的UMAP表示和代表性的MERFISH切片按聚类着色并编号。
(e) 如所选MERFISH切片所示，V3和ME周围tanycyte、室管膜细胞和VLMC聚类的共定位。
(f) 如所选MERFISH切片所示，各种脑室中VLMC、CHOR和室管膜细胞聚类的共定位。

Figure 5: Transcription factor modules across the whole mouse brain.

Figure 5. 整个小鼠大脑的转录因子模块

(a) 差异表达的转录因子（TFs）数量在神经元和非神经元类别之间、类别之间、亚类别之间以及亚类别内的分布。
(b) 使用基于所有8,460个标记基因（all）、534个转录因子标记基因（TF）、541个功能性标记基因、857个编码粘附分子的标记基因（adhesion）、534个随机选择的粘附标记基因（random adhesion）或534个随机选择的标记基因（random）构建的分类器对每个聚类（左侧）或亚类别（右侧）的交叉验证准确性。
(c) 密度图展示了使用所有标记、粘附标记基因、功能基因和转录因子在聚类之间的标记基因表达的相关性分布。
(d) 在分类树中每个亚类别的关键转录因子的表达，这些转录因子组织为转录因子共表达模块，并在热图两侧显示为彩色条。

Figure 6: Brain region-specific features of cell types.

Figure 6. 细胞类型的大脑区域特定特征

(a) 热图显示了MERFISH细胞中每个亚类别（x轴）的CCFv3区域分布（y轴）。左侧的条形图显示了广泛的CCFv3区域，每个感兴趣区域（ROI）的神经元与胶质细胞的比例，以及每个ROI的神经递质类型比例。右侧的条形图显示了广泛的CCFv3区域，每个亚类别和超类型的Shannon多样性，以及每个ROI的细胞数。顶部的条形图显示每个亚类别的细胞数，基尼系数和类别分配。底部的条形图显示亚类别和类别注释。
(b) 散点图显示在每个主要脑区域中鉴定的神经元簇的数量与相应区域中通过scRNA-seq分析的神经元细胞的数量。每个神经元簇都分配给最主导的区域。
(c) 与b相似，不同之处在于聚类和分析的细胞数量已通过区域体积进行了归一化。
(d) 在每个主要脑区域内，每对神经元簇之间的差异表达基因（在scRNA-seq数据中鉴定）的分布，分成所示的分位数。曲线显示了在0.1分位数处更相似类型之间的差异表达基因数量与在0.9分位数处更不同类型之间的差异表达基因数量的差距。
(e) 散点图显示映射到给定神经元簇的细胞数量与其3D坐标沿前后、背腹和中侧轴的跨度（由IQR测量），按主要脑区域划分。

Discussion:

1.在这项研究中，我们基于整个大鼠大脑的全脑范围scRNA-seq和MERFISH数据集的结合，创建了一份全面、高分辨率的转录组细胞类型图谱。该细胞类型图谱被分层组织成四个嵌套层次：34个类别、338个亚类别、1,201个超类型和5,322个簇（图1）。对每个主要脑区的神经细胞类型组成进行了系统分析（图2），并确定了不同脑区的独特特征（图6）。
2.我们研究中最显著的发现之一是转录组身份与空间特异性之间的高度一致性（图2-4和6）。每个亚类别（以及每个中的所有超类型和许多簇）在大脑中都有独特而特定的空间定位模式。转录组类型之间的相对关联性与它们之间的空间关系强烈相关（图6a和扩展数据图3、15和16）。
3.另一个显著的发现是不同主要脑结构中细胞类型组织的独特特征（图6）。包括嗅球、异位皮层、海马前脑、纹状体、丘脑和小脑在内的前部和背部脑区包含与大脑其他部分极为不同的细胞类和类型。
4.虽然神经元类型在大脑中占据绝大多数细胞类型并表现出很高的区域特异性，但非神经元细胞类型通常分布更广，除了星形胶质细胞和室管膜细胞，它们具有多个具有区域特异性的亚类。然而，在聚类水平上，我们还观察到非神经元细胞类型具有很高的空间特异性，尤其是星形胶质细胞、室管膜细胞、滑膜细胞和VLMCs，表明存在特定的神经元-胶质和胶质-血管相互作用（图4）。
5.我们检查了整个大脑中细胞类型的神经递质和神经肽的表达。我们发现来自许多脑区的许多神经元簇表现出谷氨酸-GABA共同传递（Extended Data Fig. 9）。我们确定了所有表达不同调节性神经递质的细胞类型，并发现它们通常共同释放谷氨酸和/或GABA。
6.转录因子被认为在规律大脑区域、定义神经前体区域以及在发育过程中规定细胞类型身份方面起着重要作用。在这里，我们发现在成年大脑中，转录因子也是决定整个大脑各个区域细胞类型的主要因素。通过比较所有簇对之间的基因表达相关性矩阵，我们发现转录因子在总体上具有最强大的区分细胞类型的能力（图5和Extended Data Fig. 3）。
7.上述发现表明，细胞类型的转录学身份和空间分布模式之间存在高度的对应关系，而转录因子在定义转录学和空间特异性方面发挥着显著作用，描绘出了大脑结构的统一图景——即不同的解剖区域包含由转录因子的总体计划定义的高度多样的细胞类型集合。
8.总之，整个小鼠大脑的转录组和空间细胞类型图谱为深入、综合地研究大脑的细胞和回路功能、发育和进化奠定了基础，类似于研究基因功能和基因组演化的参考基因组。