Сравнительный клеточный анализ моторной коры человека, игрунки и мыши

Nature, том 598, страницы 111–119 (2021 г.) Процитировать эту статью

46 тысяч доступов

115 цитат

157 Альтметрика

Подробности о метриках

Авторская поправка к этой статье была опубликована 22 марта 2022 г.

Эта статья была обновлена

Первичная моторная кора (M1) необходима для произвольного контроля мелкой моторики и функционально консервативна у млекопитающих1. Здесь, используя высокопроизводительное транскриптомное и эпигеномное профилирование более чем 450 000 отдельных ядер у людей, мартышек и мышей, мы демонстрируем широко консервативный клеточный состав этой области со сходствами, которые отражают эволюционное расстояние и согласуются между транскриптомом и эпигеномом. Основные консервативные молекулярные идентичности нейрональных и ненейрональных типов клеток позволяют нам создать межвидовую консенсусную классификацию типов клеток и сделать вывод о консервативных свойствах типов клеток у разных видов. Однако, несмотря на общую консервативность, очевидны многие видозависимые специализации, включая различия в пропорциях типов клеток, экспрессии генов, метилировании ДНК и состоянии хроматина. Немногие маркерные гены клеточного типа консервативны у разных видов, что указывает на короткий список генов-кандидатов и регуляторных механизмов, которые отвечают за консервативные особенности гомологичных типов клеток, таких как ГАМКергические клетки-люстры. Эта консенсусная транскриптомная классификация позволяет нам использовать patch-seq (комбинацию целоклеточных записей patch-clamp, секвенирования РНК и морфологической характеристики) для идентификации кортикоспинальных клеток Бетца из слоя 5 у приматов и людей, а также охарактеризовать их высокоактивные клетки. специальная физиология и анатомия. Эти результаты подчеркивают надежную молекулярную основу разнообразия типов клеток M1 у млекопитающих и указывают на гены и регуляторные пути, ответственные за функциональную идентичность типов клеток и их видоспецифическую адаптацию.

Одноклеточные транскриптомные и эпигеномные методы оказались эффективными для выяснения клеточного состава сложных тканей мозга на основе паттернов экспрессии генов и лежащих в их основе регуляторных механизмов2,3,4,5,6. В неокортексе мыши и человека различные типы нейрональных и ненейрональных клеток могут быть определены2,3,5,7 по их различным профилям транскрипции и областям доступного хроматина или метилирования ДНК (DNAm)4,8 и могут быть выровнены между виды3,9,10,11 на основе этих профилей. Подобные исследования показали возможность количественного изучения эволюции типов клеток, но имеют ограничения: у людей и мышей были профилированы различные области коры; различные наборы транскриптов были захвачены с помощью одноклеточных и одноядерных анализов; а транскриптомные и эпигеномные исследования в основном проводились независимо.

Первичная моторная кора (M1, также известная как MOp у мышей) является идеальной областью для решения вопросов клеточной эволюции у грызунов и приматов. M1 необходим для контроля мелкой моторики и функционально консервативен у млекопитающих1. Область слоя 5 (L5) плотоядных животных и приматов M1 содержит специализированные «гигантоклеточные» кортикоспинальные нейроны (клетки Бетца у приматов12,13,14,15,16) с отличительными свойствами потенциала действия, которые поддерживают высокую скорость проводимости17,18, 19. Некоторые клетки Бетца синапсируют непосредственно на спинальные мотонейроны, в отличие от кортикоспинальных нейронов грызунов, которые синапсируют опосредованно через спинальные интернейроны20. Эти наблюдения позволяют предположить, что клетки Бетца обладают внутренними механизмами, адаптированными к видам, для поддержки быстрой коммуникации, что должно быть отражено в их молекулярных сигнатурах. Чтобы изучить эволюционную консервативность и дивергенцию типов клеток M1 и лежащие в их основе механизмы молекулярной регуляции, мы проанализировали одноядерные транскриптомные и эпигеномные данные M1 мыши, мартышки, макаки и человека.

Чтобы охарактеризовать молекулярное разнообразие нейронов M1 и ненейрональных клеток, мы применили одноядерные транскриптомные анализы (планшетное секвенирование SMART-seq v4 (SSv4) и капельное секвенирование РНК Chromium v3 (Cv3)) и эпигеномные анализы (одноядерные анализы). секвенирование 2 ядра метилцитозина (snmC-seq2) и секвенирование доступности одноядерного хроматина и секвенирование экспрессии информационной РНК (SNARE-seq2)) для изолированных образцов M1 из мозга человека, мартышки и мыши (расширенные данные, рис. 1a-d); мы также применили Cv3 к M1 L5 из ​​мозга макаков. Отдельные ядра были отделены от всех слоев вместе или от отдельных слоев (в случае анализа SSv4 человека) и отсортированы с использованием нейронного маркера NeuN для обогащения клеточного ввода примерно до 90% нейронов и 10% ненейрональных клеток (рис. 1д). Наборы данных по мышам представлены в сопутствующей статье5. Среднее обнаружение нейрональных генов у людей было выше, когда мы использовали SSv4 (7296 генов), по сравнению с Cv3 (5657 генов), частично из-за 20-кратной большей глубины считывания, а обнаружение было ниже у мартышек (4211 генов) и мышей ( 5046) при использовании Cv3 (расширенные данные, рис. 1f–m).