成人人类、猕猴和猪海马及内嗅皮层细胞的转录组分类学和神经发生轨迹

Transcriptomic taxonomy and neurogenic trajectories of adult human, macaque, and pig hippocampal and entorhinal cells.

作者信息Daniel Franjic, Mario Skarica, Shaojie Ma, Jon I Arellano, Andrew T N Tebbenkamp, Jinmyung Choi, Chuan Xu, Qian Li, Yury M Morozov, David Andrijevic, Zvonimir Vrselja, Ana Spajic, Gabriel Santpere, Mingfeng Li, Shupei Zhang, Yang Liu, Joshua Spurrier, Le Zhang, Ivan Gudelj, Lucija Rapan, Hideyuki Takahashi, Anita Huttner, Rong Fan, Stephen M Strittmatter, Andre M M Sousa, Pasko Rakic, Nenad Sestan
PMID34798047
期刊Neuron
发布时间2022-02
DOI10.1016/j.neuron.2021.10.036

实验完整度

包含跨物种snRNA-seq整合分析、RNA velocity、DCX免疫组化、蛋白质组学(HaloTag/BioID)和功能实验(SAM甲基转移酶活性)等多层级验证,证据充分。

主要模型

人类海马-内嗅皮层组织(DG、CA2-4、CA1、Sub、EC) 猕猴(Macaca mulatta)DG组织 猪(Sus scrofa)海马组织 小鼠DG单细胞RNA-seq数据

重点核对

成人人类供体年龄53±5岁,PMI 15.6±2.0小时,6例(2女4男) 人类DG样本量139,187个细胞核,小鼠、猪、猕猴数据整合分析 DCX表达分析采用均一化至相同测序深度,比较不同物种的DCX阳性和阴性颗粒细胞 METTL7B表达验证使用免疫组化、Western blot、qPCR等,并检测其与AD相关蛋白的相互作用

摘要

The hippocampal-entorhinal system supports cognitive functions, has lifelong neurogenic capabilities in many species, and is selectively vulnerable to Alzheimer's disease. To investigate neurogenic potential and cellular diversity, we profiled single-nucleus transcriptomes in five hippocampal-entorhinal subregions in humans, macaques, and pigs. Integrated cross-species analysis revealed robust transcriptomic and histologic signatures of neurogenesis in the adult mouse, pig, and macaque but not humans. Doublecortin (DCX), a widely accepted marker of newly generated granule cells, was detected in diverse human neurons, but it did not define immature neuron populations. To explore species differences in cellular diversity and implications for disease, we characterized subregion-specific, transcriptomically defined cell types and transitional changes from the three-layered archicortex to the six-layered neocortex. Notably, METTL7B defined subregion-specific excitatory neurons and astrocytes in primates, associated with endoplasmic reticulum and lipid droplet proteins, including Alzheimer's disease-related proteins. This resource reveals cell-type- and species-specific properties shaping hippocampal-entorhinal neurogenesis and function.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
比较人类、猕猴、猪和小鼠海马-内嗅系统中神经发生能力和细胞类型多样性,特别是物种特异性差异。
核心机制
成体神经发生在小鼠、猪和猕猴中具有转录组特征轨迹,但在人类中几乎缺失;DCX在人类成熟神经元中表达,不能作为神经母细胞的可靠标志;METTL7B在灵长类特定兴奋性神经元和星形胶质细胞中表达,与内质网和脂滴相关,并具有甲基转移酶活性,可能参与阿尔茨海默病相关过程。
主要证据
基于snRNA-seq的跨物种整合分析显示小鼠、猪和猕猴中具有从nIPC到神经母细胞再到颗粒细胞的清晰轨迹,人类中几乎无;DCX免疫组化显示人类DG中DCX阳性细胞主要类似GABA能中间神经元;METTL7B的免疫电镜和蛋白质组学显示其定位在ER和LD,与APP、LRP1、RTN3/4等相互作用,且AD脑中富集。
研究意义
揭示了海马-内嗅系统细胞类型多样性和物种特异性差异,为理解进化、行为和疾病(如阿尔茨海默病)提供了资源,并提示METTL7B可能作为灵长类特异的治疗靶点。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

单核RNA测序和细胞类型注释

鉴定人类海马-内嗅系统中所有主要细胞类型和亚型,并比较不同物种。

从成人人类、猕猴和猪的不同海马和内嗅皮层亚区提取细胞核,进行snRNA-seq,比对到各自基因组,聚类和注释。

2

跨物种分析成体神经发生轨迹

检测小鼠、猪、猕猴和人类DG中是否存在转录组定义的成体神经发生轨迹。

将人类、猕猴、猪和已发表的小鼠DG数据整合,通过Seurat和Harmony整合,RNA velocity分析,以及共表达分析寻找神经祖细胞和神经母细胞特征。

3

DCX表达分析

比较DCX RNA和蛋白在不同物种海马DG中的表达模式,评估其作为神经母细胞标志物的特异性。

对单细胞数据进行下采样使深度一致,检测DCX表达,进行免疫组化检测DCX和GAD1共标,分析DCX阳性细胞的神经母细胞标记富集。

4

跨皮层区域转录组比较

比较海马-内嗅系统与中颞回(MTG)和前额叶皮层(dlPFC)的细胞类型异同,探讨皮层进化。

将人类海马-内嗅数据与MTG和dlPFC的公开数据比较,计算亚型间相似性网络,分析上层和深层标志物表达。

5

METTL7B表达和功能分析

验证METTL7B在灵长类中特异表达,并研究其亚细胞定位、相互作用蛋白和甲基转移酶活性。

通过snRNA-seq、免疫组化、Western blot、免疫电镜、蛋白质组学(HaloTag和BioID)和SAM甲基转移酶活性实验分析METTL7B的表达和功能。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
蔗糖SigmaS0389
氯化钙Sigma21115
乙酸镁Sigma63052
蛋白酶抑制剂Roche11836170001
RNA酶抑制剂Roche03335402001
二硫苏糖醇Sigma43186
曲拉通X-100SigmaT8787
Optiprep密度梯度分离液Axis-Shield1114542
牛血清白蛋白Gemini Bio-Products700-106P
Chromium单细胞3' GEM、文库与凝胶珠试剂盒v310x GenomicsPN-1000075
Chromium单细胞B芯片试剂盒10x GenomicsPN-1000074
Chromium i7多重试剂盒10x GenomicsPN-120262
HiSeq 4000测序仪Illumina--
METTL7B抗体Atlas AntibodiesHPA038644
DCX抗体(豚鼠)EMD MilliporeAB2253
DCX抗体(小鼠)Santa Cruzsc-271390
GAD1抗体R&DAF2086
PSA-NCAM抗体DBSH (Developmental Studies Hybridoma Bank)5A5-s
ImmPRES Excel放大HRP聚合物染色试剂盒Vector LaboratoriesMP-7601-15
Vectastain ABC-AP试剂盒Vector LaboratoriesAK-5000
Vector Blue AP试剂盒Vector LaboratoriesSL-5300
ImmPACT-DAB显色液Vector LaboratoriesSK-4105
ImmPRES Excel放大HRP聚合物染色试剂盒Vector LaboratoriesMP-7601-15
链霉亲和素偶联物Jackson ImmunoResearch016-160-084
抗兔IgG生物素化二抗Jackson ImmunoResearch711-065-152
PVDF膜Bio-Rad162-0218
SuperSignal West Pico Plus化学发光底物Pierce34577
G:BOX Chemi XRQ化学发光成像系统Syngene--
NuPAGE LDS上样缓冲液Thermo Fisher ScientificNP0007
Bis-Tris预制胶Thermo Fisher ScientificNP0321
Bradford蛋白定量试剂盒Pierce23246
质谱用银染试剂盒Pierce24600
蛋白酶抑制剂混合物Sigma-AldrichP-2714
抗APP抗体Abcamab32136
抗LRP1抗体Abcamab92544
抗RTN3抗体ProteinTech12055-2-AP
抗RTN4抗体Abcamab47085
抗METTL7B抗体Atlas AntibodiesHPA038644
抗GAPDH抗体InvitrogenMA5-15738-HRP
HaloTag标签PromegaG6500
BioID邻近标记系统Addgene36047
EASY-nLC 1000液相色谱仪Thermo Fisher ScientificLC120
Q Exactive Plus质谱仪Thermo Fisher ScientificIQLAAEGAAPFALGMBCA
Acclaim PepMap 100 C18色谱柱Thermo Fisher Scientific164941
C18 TopTip脱盐柱PolyLCTT10C18.96
质谱级胰蛋白酶PromegaV5280
PolyJet转染试剂SignaGenSL100688
硫酸鱼精蛋白MP Biomedicals02194729
ReNcell CX细胞系EMD MilliporeSCC007
Lenti-X 293T细胞系Clontech632180
杜恩斯匀浆器Wheaton357544
康宁细胞过滤器Corning352340
艾本德离心机Eppendorf5804R
RNAeasy Plus微型试剂盒Qiagen74134
R6K ScreenTapeAgilent5067-5576
SuperScript III第一链合成试剂盒Invitrogen18080051
QX200微滴式数字PCR系统Bio-Rad--
TapeStation自动化电泳系统Agilent--
Aperio ScanScope数字病理扫描系统Leica--
徕卡显微镜Leica--
蔡司Axio Observer倒置显微镜Zeiss--
蔡司LSM 510共聚焦显微镜Zeiss--
Talos L120C透射电子显微镜Thermo Fisher Scientific--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
单核RNA测序样本采集
人类供体年龄、性别、PMI,组织亚区微切(DG、CA2-4、CA1、Sub、EC),核分离方法(蔗糖密度梯度离心),甲醇固定条件
阅读提示:STAR Methods: Human, rhesus macaque and pig postmortem tissue; Brain cell nuclei isolation
跨物种神经发生轨迹分析
整合方法(Seurat/Harmony),变量基因选择,nIPC和神经母细胞标记(MKI67, CENPF, TOP2A, DCX, CALB2, PROX1),RNA velocity参数
阅读提示:STAR Methods: Integrate dentate gyrus data across species and developmental stages; RNA velocity analysis
DCX表达分析
测序深度下采样比例,DCX阳性细胞阈值(≥1 UMI或≥2 UMI),免疫组化抗体和使用浓度,抗原修复条件
阅读提示:STAR Methods: Expression profiling of DCX across species and regions; Immunohistochemistry; Figure 3
METTL7B表达分析
snRNA-seq数据中METTL7B表达量,免疫组化抗体(HPA038644)浓度和抗原修复条件,Western blot抗体和上样量,ddPCR引物探针序列
阅读提示:STAR Methods: Immunolabeling and histology; RNA isolation and digital droplet PCR; Figure 6
METTL7B功能实验
ReNcell CX细胞培养条件,MOI值,HaloTag和BioID拉下实验步骤,质谱参数,SAM甲基转移酶活性反应条件(重组蛋白浓度、孵育温度和时间)
阅读提示:STAR Methods: Affinity capture of proteins; Mass spectrometry and proteomic data analysis; SAM assay