撰文
十一月
#类器官#
在体外培养条件下，从人类干细胞中产生复杂的脑类器官为理解人类的大脑发育的基础分子机制提供了新的工具与希望。大脑中不同的神经元可以从胚胎干细胞或者诱导多能干细胞发育而来，每种不同细胞的命运和状态都是通过不同转录因子复杂调控的最终结果。转录因子与调控元件汇合，并与染色质相互作用从而实现对基因表达的精确控制。单细胞测序方法的出现提供了对单个细胞中基因表达和染色质可及性进行分析的方法，全面的小鼠以及人类大脑细胞细胞图谱为了解类器官的组成的和发育提供了参考。脑类器官目前已经可以用于模拟小头畸形、脑室周围异位畸形、自闭症和其他可能对人类大脑不同区域产生不同影响的神经发育障碍。然而，关于在正常条件以及不正常条件下协调人类早期大脑发育的基因调控网络（Generegulatorynetworks，GRNs）还没有全面的认识。
年10月5日，瑞士巴塞尔联邦理工学院BarbaraTreutlein研究组、ZhisongHe研究组以及巴塞尔分子与临床眼科研究所J.GrayCamp研究组合作发文题为Inferringandperturbingcellfateregulomesinhumanbrainorganoids，通过建立整合了多组学数据和转录因子结合位点预测的Pando分析框架，从而实现了对于脑类器官全面的基因调控网络的描述。
关于协调脊椎动物大脑区域形成的核心信号传导因子和基因调控程序的相关信号通路已经有一定的认识，其中包括SHH、WNTs、BMP、FGF、NOTCH、Neuregulins和R-spondins等。关于这些调节大脑形态发生的信号通路大部分已经在非人类模式生物系统中进行了验证，但是尚不清楚人类大脑中不同神经细胞谱系是如何分化的。
为了研究人类大脑的发育机制，作者们生成了大脑类器官发育过程中的单细胞转录组和单细胞染色质可及性分析数据库（图1）。该数据库包含了3个来自人类诱导多能干细胞以及1个来自胚胎干细胞的11个不同时间点不同细胞谱系的基因表达以及染色质可及性数据。这些时间点涵盖了胚胎样体形成、神经外胚层诱导、神经上皮化、神经祖细胞模式化和神经发生。在每个时间点，作者们分离了四种细胞系的类器官组织，在相同的细胞悬液上运行单细胞RNA-seq测序和单细胞ATAC-seq，进一步的使用特定于每个个体的单核苷酸变体对测序数据进行多路分离，并使用典型相关分析整合每一行和时间点的两种模式。另外，作者们还使用聚类分析方法对元细胞进行集成以及可视化。由此，作者们揭示出在人脑类器官中细胞状态在整个时间过程中的相对连续分布（图1）。作者们所建立的分析模型可以用来识别不同细胞状态的标记基因以及基因调控区域。
图1人脑类器官多组学图谱揭示细胞命运决定的关键阶段
为了推断人类大脑类器官发育的基因调控网路，作者们开发了一种名为Pando的算法，利用了多模态单细胞基因组测量并通过转录因子相互作用建模基因表达。作者们发现基因表达调控区可及性与转录因子表达随类器官发育阶段而变化，并在大脑区域化发育过程中分离。为了更好的理解染色质可及性与不同脑区基因调控网络活性，作者们将全局性基因调控网路划分成了区域特异性调控网络。这些分析为进一步研究控制人类大脑区域化和转录因子介导的细胞编程的基因调控程序提供了丰富的资源。
为了对人类大脑发育过程中的调节细胞命运和状态的机制进行更深入的理解，作者们设计了一个靶向20个转录因子的慢病毒gRNAs库，每个转录因子有三个对应的gRNAs，而这些转录因子则是在人脑类器官以及早期人类大脑皮层不同阶段表达的关键因子。通过对gRNAs恢复，作者们发现回收gRNAs具有区域特异性分布特征，说明转录因子扰动具有区域特异性。
在这些指标的基础上，作者们将目光集中在了HES1和GLI3这两个基因。作者们发现GLI3激活的基因与皮层转移概率呈正相关，而HES1对这类基因有抑制作用。GLI3是众所周知的SHH信号传导介质，其功能缺失突变会导致小鼠皮层无法形成。在人类中，GLI3的突变与Greig尖头并指综合征和PallisterHall综合征有关，在这两种综合征中，患者根据特定的突变表现出不同的脑畸形。为了确认GLI3在人脑中参与细胞命运的建立并揭开潜在的发育机制，作者们使用CRISPR-Cas9基因编辑技术构建了GLI3敲除的人诱导多能干细胞谱系，并分别生成了野生型以及GLI3敲除型人脑类器官。作者们发现GLI3敲除会影响腹侧端脑细胞状态。该结果证实GLI3在人类皮层神经元命运的建立中是必要的，它的缺失会影响腹侧端脑的发育。
总得来说，该工作通过单细胞基因组技术从多能干细胞以及胚胎干细胞中生成的人脑类器官中获取基因表达以及染色质可及性数据，为研究人类大脑发育的基因调控网络也就是调控组（Regulomes）提供了重要的数据库以及算法平台。另外，以转录因子GLI3研究特例，作者们发现GLI3在人类皮层命运的建立中的关键作用，与哺乳动物模型系统中进行的研究相一致。因此，该研究为如何利用人类模型系统和单细胞技术重建人类发育生物学提供了一个工作范例。
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