题目: 小鼠前额叶皮层单细胞时空转录组图谱揭示出生后发育过程中端脑内神经元的动态变化
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003594 (opens new window)
Cite: Zheng H, Yan K, Gou X, Wang Z, Yang L, Huang Y, et al. (2026) A single-cell spatiotemporal transcriptomic atlas of mouse prefrontal cortex maps dynamics of intratelencephalic neurons during postnatal development. PLoS Biol 24(1): e3003594.

作者介绍：

Gang Cao
Shenzhen University of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen, China
caog@siat.ac.cn

Abstract:

在出生后早期阶段，大脑前额叶皮层（prefrontal cortex, PFC）仍处于未成熟状态，并具有高度可塑性，尤其是端脑内（intratelencephalic, IT）神经元。然而，这一时期PFC的时空分子和细胞动态变化特征仍缺乏系统性研究。本研究利用时空单细胞RNA测序技术，对小鼠出生后不同时间点的PFC进行了分析，系统描绘了出生后早期PFC发育过程中的分子和细胞动态变化，其中IT神经元表现出最显著的变化。基于构建的PFC时空单细胞图谱，研究进一步解析了IT神经元成熟过程中的时间特异性分子和细胞特征，特别揭示了调控轴突发育、突触形成相关基因的动态表达程序，以及神经发育疾病风险基因的变化规律。此外，该研究还揭示了出生后早期神经元与胶质细胞相互作用模式的动态变化及其潜在信号通路。该研究为理解PFC发育过程及PFC相关神经系统疾病的机制提供了全面的资源和重要 insights。

Main:

Figure 1: Spatiotemporal molecular and cellular atlas of mouse PFC during postnatal development.

Figure 1. 小鼠PFC出生后发育过程中的时空分子和细胞图谱

(A) 实验流程示意图（由BioRender.com绘制）。选取C57BL/6J小鼠的四个发育时间点（P1、P4、P10和成年期），分离大脑中的前额叶皮层（PFC）区域，随后进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）文库构建与测序，并开展后续数据分析。
(B) 基于scRNA-seq数据的小鼠PFC所有细胞的UMAP降维图，根据细胞亚型进行着色。Im表示未成熟（immature）。
(C) 基于scRNA-seq数据的小鼠PFC所有细胞的UMAP图，根据不同发育时间阶段进行着色。
(D) 在UMAP图中展示用于定义未成熟IT亚型和成熟IT亚型的标志基因表达情况。
(E) Allen小鼠脑原位杂交（ISH）数据库中基因表达图像，展示了未成熟IT神经元标志基因 Cd24a（上图）和成熟IT神经元标志基因 Slc17a7（下图）在胚胎第18.5天（E18.5）、出生后第4天（P4）、出生后第14天（P14）和出生后第56天（P56）的表达分布。
(F) 不同发育阶段各细胞亚型所占比例。
(G) 基于P1阶段Stereo-seq空间转录组数据，展示小鼠PFC中所有细胞亚型的空间分布。
(H) 基于P1阶段Stereo-seq空间转录组数据，展示小鼠PFC中不同兴奋性神经元亚型的空间分布。
(I) 基于成年阶段Stereo-seq空间转录组数据，展示小鼠PFC中所有细胞亚型的空间分布。
(J) 基于成年阶段Stereo-seq空间转录组数据，展示小鼠PFC中不同兴奋性神经元亚型的空间分布。

Figure 2: Transcriptomic dynamics of mouse PFC neurons during postnatal development.

Figure 2. 小鼠PFC神经元在出生后发育过程中的转录组动态变化

(A) 基于scRNA-seq数据的小鼠PFC所有神经元的UMAP降维图，根据神经元亚型进行着色。
(B) Sankey图展示了基于转录组相似性鉴定的小鼠PFC神经元亚型在不同年龄阶段之间的时间关联关系。节点（Nodes）表示每个年龄阶段对应的PFC神经元亚型；连线（Edges）的颜色根据转录组相似性进行标记。
(C) 基于转录组相似性，对连续两个年龄阶段之间各神经元亚型的转录动态变化进行定量分析。动态评分（Dynamic score = 1 − Rand index, RI）范围为0–1，其中0表示低变化，1表示高变化。
(D) 火山图展示不同神经元亚型在不同年龄阶段之间的差异表达基因（DEGs）。每个年龄阶段的神经元亚型与前一个年龄阶段的相同神经元亚型进行比较。
(E) 不同年龄阶段比较中，各组差异表达基因（DEGs）对应的前4个基因本体论（Gene Ontology, GO）富集条目。
(F) 火山图展示不同皮层层次中未成熟IT神经元（immature IT neurons）与成熟IT神经元（mature IT neurons）之间的差异表达基因。
(G-J) 左图分别展示小鼠PFC中IT神经元内Clstn2、Kctd12、Igfbp4和Cck基因的UMAP表达分布；右图分别展示Allen小鼠脑原位杂交（ISH）数据中这些基因在胚胎期（E18.5）以及出生后不同发育阶段（P4、P14和P56）的时空表达模式。

Figure 3: The maturation dynamics and the underlying transcription factor regulation of mouse PFC IT neurons during postnatal development.

Figure 3. 小鼠PFC中IT神经元在出生后发育过程中的成熟动态及其潜在转录因子调控机制

(A) 不同发育年龄阶段小鼠PFC中IT神经元的UMAP（Uniform Manifold Approximation and Projection，统一流形近似与投影）降维图，根据拟时序（pseudotime）值进行着色。
(B) IT神经元的拟时序发育轨迹图，根据不同时间阶段进行着色。
(C) 不同IT神经元亚型的拟时序轨迹图，根据IT神经元亚型进行着色。
(D) 热图展示与拟时序变化相关的基因模块（gene modules），以及每个基因模块对应的GO功能注释。
(E) 示意图展示小鼠前额叶皮层（PFC）中未成熟阶段（左）和成熟阶段（右）IT神经元的空间特异性转录因子（TF）调控模式。
(F) 点图（Dotplot）展示不同IT神经元亚型中特异表达的转录因子调控子（TF regulons）。
(G) 分别展示Sox11(+)、Sox12(+)、Atf4(+)和Tbr1(+)调控子（regulons）的转录因子调控网络及其前20个靶基因。边（Edges）的颜色根据重要性评分（importance score）进行标记。左侧展示对应转录因子的TF binding motifs。
(H–K) 左图分别展示IT神经元中Sox11、Sox12、Atf4和Tbr1基因的UMAP表达分布；右图分别展示Allen小鼠脑原位杂交（ISH）数据中这些基因在胚胎阶段（E18.5）以及出生后不同发育阶段（P4、P14和P56）的时空表达模式。

Figure 4: Expression dynamics of cadherin and axon guidance genes in mouse PFC during postnatal development.

Figure 4. 小鼠PFC出生后发育过程中钙黏蛋白（cadherin）和轴突引导基因的表达动态变化

(A) 火山图展示不同年龄阶段小鼠PFC各神经元亚型中差异表达的钙黏蛋白相关基因和轴突引导相关基因。每个年龄阶段的神经元亚型均与前一年龄阶段对应的相同神经元亚型进行比较。橙色表示上调基因；紫色表示下调基因。
(B) 展示发育过程中IT神经元亚型特异性的钙黏蛋白和轴突引导基因表达模式。节点（Nodes）表示不同年龄阶段的单个IT神经元亚型；边（Edges）表示细胞发育轨迹，并根据IT神经元亚型进行着色。每个节点展示该阶段中特异表达最高的前2个钙黏蛋白和轴突引导基因。
(C) 钙黏蛋白和轴突引导基因的共表达网络。每个节点代表一个基因，边表示基因之间的共表达关系。根据共表达模式，这些基因被划分为5个共表达模块（co-expression modules）。每个模块中排名前5的枢纽基因（hub genes）被标注。
(D) 分别展示每个基因模块的表达特征，包括：左图：各基因模块在UMAP空间中的表达分布；中左图：基因模块随年龄变化的表达趋势曲线；中右图：不同神经元亚型中各模块前20个枢纽基因的表达热图；右图：各基因模块对应的基因本体论（GO）功能富集分析结果。。
(E) 展示模块1（module 1）的基因共表达网络图。
(F) 小提琴图展示不同年龄阶段所有IT神经元中模块1前5个枢纽基因的表达水平。
(G) Allen小鼠脑原位杂交（ISH）图像展示Cntn2基因在胚胎第18.5天（E18.5）、出生后第4天（P4）、第14天（P14）和第56天（P56）的表达模式。

Figure 5: Gliogenesis dynamics and their communications with IT neurons in mouse PFC during postnatal development.

Figure 5. 小鼠PFC出生后发育过程中胶质发生动态及其与IT神经元的相互作用

(A) 不同出生后发育阶段胶质细胞亚型的UMAP，根据拟时序（pseudotime）值进行着色。由于小胶质细胞（Microglia）具有不同的发育起源，因此未纳入分析。
(B) 胶质细胞整体拟时序发育轨迹图，根据拟时序值进行着色。
(C) 不同胶质细胞亚型的拟时序轨迹图，根据胶质细胞亚型进行着色。
(D) 热图展示与拟时序变化相关的基因模块（gene modules），以及每个基因模块对应的基因本体论（Gene Ontology, GO）功能富集结果。
(E) 不同出生后发育阶段，胶质细胞亚型与IT神经元亚型之间的细胞–细胞通讯网络。
(F) 基于推断的细胞通讯网络中不同年龄阶段整体信息流（overall information flow）的变化，对信号通路进行排序。
(G) 不同年龄阶段胶质细胞亚型与IT神经元亚型之间推断得到的SLIT信号通路网络。
(H) 不同出生后发育阶段胶质细胞亚型与IT神经元亚型之间推断得到的SEMA3信号通路网络。
(I) 小提琴图展示不同出生后发育阶段：少突胶质细胞（oligodendrocytes）中配体基因Sema3d的表达水平（上图）；IT神经元中受体基因Plxna1的表达水平（下图）。
(J) 经过细胞分割后，展示P10（左）和成年（右）小鼠PFC中Sema3d与Plxna1共定位表达情况。颜色表示共定位表达强度。
(K) 定量比较P10和成年小鼠PFC中Sema3d与Plxna1的共定位表达水平。

Figure 6: Enrichment analysis of neurological developmental disease risk genes in diverse cell subtype of mouse PFC during postnatal development.

Figure 6. 小鼠前额叶皮层在出生后发育过程中不同细胞亚型中神经系统发育性疾病风险基因的富集分析

(A) 条形图展示了来自8种PFC相关疾病的GWAS候选基因在不同细胞亚型中的富集水平。条形高度代表由scDRS计算的平均疾病得分，并标注了时间阶段和细胞亚型。星号表示P值<0.05的细胞亚型。
(B) 火山图显示了在(A)中标有星号的亚型中，MDD风险基因在不同出生后阶段的差异表达。每个亚型中显示了前3个风险基因。
(C) MDD（左）和ANO（右）scDRS疾病评分的UMAP可视化图。
(D) 热图显示了MDD和ANO风险基因在其富集亚型中的表达情况。
(E) 小提琴图显示了MDD富集的IT神经元中不同日龄时Tcf4（左）和Egr1（右）基因的表达水平。
(F) Allen小鼠脑ISH图像显示了Tcf4（上）和Egr1（下）基因在E18.5、P4、P14和P56时期的表达情况

Discussion:

本研究整合单细胞RNA测序和空间转录组数据，系统揭示了小鼠PFC出生后发育过程中细胞类型、基因表达和神经环路形成的动态变化。研究发现，IT神经元虽然早期已完成迁移，但仍需经历进一步的转录和功能成熟；转录因子、轴突引导分子和细胞黏附分子通过时空特异性调控参与神经环路构建。

此外，胶质细胞通过SLIT、SEMA3等信号通路与IT神经元进行动态互作，促进轴突发育和神经网络成熟。疾病相关分析显示，不同神经精神疾病风险基因在特定细胞类型和发育阶段具有特异性富集，提示疾病风险可能来源于特定发育时期的细胞调控异常。

总体而言，本研究构建了小鼠PFC出生后发育的时空分子图谱，为理解神经发育过程及相关疾病机制提供了重要参考，但仍需更多发育阶段和跨物种研究进行验证。