重大进展！我国科学家构建出猕猴大脑皮层单细胞空间分布图谱
在一项新的研究中，来自中国多家研究机构的研究人员利用自主研发的空间转录组测序技术Stereo-seq以及snRNA-seq技术，绘制了猕猴大脑皮层细胞类型分类图谱，揭示了细胞类型组成与灵长类动物各个脑区的关系，为进一步研究神经回路提供了分子和细胞基础。相关研究结果于2023年7月12日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Single-cell spatial transcriptome reveals cell-type organization in the macaque cortex”。
灵长类动物拥有数量庞大的神经元，它们组成了错综复杂的神经回路，支持着高级认知和行为。这些细胞和回路的破坏会导致各种脑部疾病。了解大脑中细胞的组成和空间分布以及它们之间的关系是神经科学中的一个基本问题，堪比化学中的元素周期表、地理发现中的世界地图或通过人类基因组测序发现的DNA碱基序列。
与其他物种相比，灵长类动物，包括最接近人类的动物模型猕猴，具有更高的认知和社会能力，以及更大的大脑皮层和更多的细胞类型。例如，猕猴大脑有超过60亿个细胞，可根据它们的分子、形态或生理特征分为数百种细胞类型，它们的空间分布跨越数百个不同的脑区。破译大脑皮层中细胞亚型的组成和空间分布模式对于理解灵长类动物大脑的组织原理至关重要。
在这项新的研究中，这些作者利用一种新开发的大视场空间转录组方法---Stereo-seq和一种独立开发的方法制备了用于实验的厘米级猕猴大脑薄片。
通过结合大规模单细胞转录组分析，他们获得了食蟹猕猴整个大脑皮层的全面的三维单细胞图谱，为系统分析大脑皮层内细胞类型分布特异性和区域特异性以及分子特征提供了指导。
此外，他们还发现，谷氨酸能神经元、GABA能神经元和非神经元细胞在整个大脑皮层的分布表现出明显的皮层特异性和区域特异性。有趣的是，细胞类型组成与视觉和躯体感觉系统中脑区的分层组织之间存在着明显的相关性。同一层次的脑区往往具有相似的细胞类型组成，从而揭示了细胞组成与脑区结构之间的关系。
此外，通过与可公开获得的人脑和小鼠大脑单细胞数据进行跨物种比较，这些作者发现了灵长类动物特有的谷氨酸能神经元，它们主要位于第4层，高度表达与人类疾病相关的基因，包括FOXP2、DCC和EPHA3。
这项新的研究为整个猕猴大脑皮层生成了一个全面的单细胞和空间转录组学数据集，为未来的研究提供了重要的数据资源。这些数据可通过下面的网址公开获得：https://macaque.digital-brain.cn/spatial-omics。
未来，这些作者将继续关注大脑疾病的机制和靶标开发、脑细胞和结构进化以及大脑功能的细胞和分子机制。
一条腿受伤的小鼠在另一条腿上经历了干细胞的“苏醒”，就好像这些干细胞正在准备愈合伤口一样。类似的事情也发生在蝾螈身上，它们是肢体再生的大师。斑马鱼的心脏损伤会引发肾脏和大脑等远处器官的某些变化。美国斯坦福大学生物工程助理教授Bo Wang说，“在许多不同的有机体中，你可以看到整个身体对损伤做出反应。但这些反应是否真地有任何功能一直不清楚，因此这就是我们关注的重点。”
在一项新的研究中，Wang和他的同事们发现这种全身协调是真涡虫（planarian worm）伤口愈合和随后组织再生的关键部分。了解是什么开启和关闭了再生，以及再生是如何协调的，也有助于为针对癌症的研究提供信息，毕竟癌症通常被认为是永不愈合的伤口。相关研究结果于2023年7月21日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Ultrafast distant wound response is essential for whole-body regeneration”。真涡虫是一种半英寸长的扁形虫，具有一种超能力：它们几乎可以在任何情况下再生。把一条真涡虫切成四块，几天后你就会得到四条新的扁形虫。与小鼠、斑马鱼和蝾螈一样，真涡虫身体某一部位的伤口似乎会引发更远处组织的反应。Wang希望了解这些反应是如何协调的。一种可能的机制是细胞外信号相关激酶（extracellular signal-related kinase, ERK）通路。细胞利用ERK通路相互交流，并以某种波形向外发送信号。如果组织受伤，最近的细胞会将这种受伤信息“传递”给邻近的细胞，然后邻近的细胞又会将信息告诉它们的邻居。这种信号波以一种电话游戏的方式传遍整个有机体。只是有一个问题：过去的研究已表明，ERK信号波的移动速度太慢，没有任何作用。Wang说，“如果我以每小时 10 微米的速度传播信号，那么它需要几天才能通过一毫米。在这种速度下，信号从真涡虫的一个区域传递到另一个区域的速度太慢，无法帮助伤口愈合和再生。”这在人类身上可能不是问题。我们的循环系统可以让信号迅速传遍全身。但真涡虫没有循环系统来加速这一过程。
因此，Wang和他的同事们开始追踪ERK信号波从真涡虫的一端传播到另一端的过程。他们发现信号的传播速度比以前观察到的快 100 多倍。ERK信号波不是以小步从一个细胞移动到另一个细胞，而是沿着超长的体壁肌肉细胞移动。这些细胞就像“超级高速公路”，将信号从身体的一端加速传到另一端。时间从之前认为的几天缩短到几小时。这种信号传播的速度足以帮助愈合，但他们仍然不知道整个身体是否都参与其中。为了找出答案，Wang实验室的研究生Yuhang Fan切除了真涡虫的头部。通常情况下，头部切除后的真涡虫头部会迅速从剩余的身体中重新生长出来。但Fan阻断了ERK信号向这种有机体后半部的传播，以测试ERK信号波是否负责协调这种远距离愈合反应。当ERK信号被阻断时，真涡虫的头部不仅愈合得更慢，而且根本就没有重新长出来。接下来，Fan想知道是否有可能“挽救”这种再生过程，他通过将真涡虫的尾部也切除来进行测试，因为这种切除会提醒尾部组织有损伤。它的尾部重新长了出来，令人惊讶的是，头部也重新长了出来。Wang说，“真正有趣的是，我们可以调整这两次切除之间的时间延迟。如果在头部切除最初几小时后就切除真涡虫的尾部，就能重新启动受阻的愈合过程。但如果等得太久，头部和尾部都不会再生。”Wang说，“这提示着存在一种全局身体投票系统，它说：‘好吧，现在我们应该长出一些东西’，每个人都必须同意。”即使是最远的细胞也有投票权。许多动物---比如真涡虫、海星和蝾螈---表现出的愈合和再生能力远远超过人类。了解人类为何缺乏这种能力，可能推动医学治疗和干预的进步，包括对癌症的影响。Wang解释说，“你不希望组织一直处于受伤状态。这可能会导致癌症。”即使在这些再生能力惊人的真涡虫中，Wang的研究也发现，大多数时候，再生都是“关闭 ”的，直到整个身体都认为是时候“开启”再生了。此外，当Wang和他的同事们追踪ERK信号波在整个真涡虫体内传播时，他们注意到数百个基因开启和关闭。虽然人类与真涡虫的亲缘关系很远，但是我们有许多相同的基因。。Wang说，“这确实为我们提供了一个研究这些基因的入口。这可能让我们弄清动物如何再生，同时控制不受控制的癌变风险。”
原肠胚形成（gastrulation）是胚胎从空心球体重组装为多层结构的过程，被认为是人类发育的“黑匣子”。这是因为出于生物伦理的考虑，人类胚胎的培养时间通常不会超过14天，而原肠胚形成发生在受精后17至21天之间。此外，目前模拟原肠胚形成的干细胞模型还不能包括产生卵黄囊和胎盘所需的胚胎外组织。在一项新的研究中，来自美国德克萨斯大学西南医学中心的研究人员报告了一种开发“外周类原肠胚（peri-gastruloids）”的新方法。外周类原肠胚是一种类似胚胎的结构，包括支持组织之一的卵黄囊，而卵黄囊是以前的模型所缺少的。相关研究结果于2023年7月20日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Modeling post-implantation stages of human development into early organogenesis with stem-cell-derived peri-gastruloids”。
论文通讯作者、德克萨斯大学西南医学中心干细胞生物学家Jun Wu说，“虽然人类原肠胚形成和早期器官形成的非整合模型是由始发态（primed）的人类多能干细胞开发的，但这些模型缺乏在胚胎发育模式（embryo patterning）和形态发生中发挥重要作用的胚胎外细胞。胚胎组织和胚外组织的存在使得科学家们能够研究原肠胚形成期间外胚层（epiblast）、羊膜和卵黄囊之间的相互作用---这在人类以前是无法实现的。”这些作者开发的方法使用了扩展型多能干细胞（expanded pluripotent stem cell, EPSC），而不是更常用的始发态多能干细胞。EPSC先前已被证实能在小鼠体内分化成胚胎组织和胚外组织。通过向人类EPSC添加适当的生长因子，它们分化成了这两种类型的组织。然后，这些细胞自我组装成类似人类胚胎的结构，这些作者将之称为 “外周类原肠胚”。胚胎外组织释放指导胚胎发育的化学信号，这使得这种外周类原肠胚能够模拟几个重要的过程，这些过程被认为是人类胚胎发育所处的黑匣子阶段的一部分。外周类原肠胚发育为胚胎生长的羊膜腔和为胚胎提供血液供应的卵黄囊腔。此外，外周类原肠胚显示器官发生的早期迹象，如神经胚形成（neurulation），而神经胚形成标志着中枢神经系统发育的开始。
这些作者报告说，他们的方法是高效和可重复的。在他们认为是小规模的试验中，他们能够生成数百个外周类原肠胚。Wu说，“这一模型的强大之处在于，它能够利用人体EPSC非凡的自我组装能力，将外来干预降到最低。”这些作者指出，由于不包括产生胎盘的滋养层细胞（trophoblast），外周类原肠胚是不能存活的，这有助于缓解这项研究的伦理问题。该项目遵循了国际干细胞研究指南，并获得了德克萨斯大学西南医学中心干细胞监督委员会的批准。
我国科学家成功开发出针对α-突触核蛋白的PET示踪剂
脑成像扫描是诊断帕金森病（PD）和排除其他运动障碍的有力工具。PD患者大脑---特别是大脑中的黑质（substantia nigra）---的路易体（Lewy body）和路易神经突（Lewy neurites）中存在的α-突触核蛋白（α-synuclein,α-Syn）可将这种疾病与其他类帕金森病（parkinsonism）区分开来。遗憾的是，目前还没有有效的α-Syn PET示踪剂。
如今，在一项新的研究中，中国科学院深圳先进技术研究院（SIAT）研究员叶克强（Ye Keqiang）教授领导的一个研究团队发现了一种名为F0502B的化合物，有望用于α-Syn的成像和突触核蛋白病（synucleinopathy）的诊断。相关研究结果于2023年7月7日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Development of an α-synuclein positron emission tomography tracer for imaging synucleinopathies”。这些作者发现，在PD猴子模型中，[18F]标记的F0502B以高亲和力与α-Syn原纤维特异性结合，将它们与Aβ和Tau原纤维区分开来。对PD猴子模型的PET成像显示，[18F]-F0502B可特异性检测到α-Syn聚集物。聚集的α-Syn水平可能随着时间的推移而增加，从而导致PET特异性结合信号升高。
F0502B可作为神经成像放射性示踪剂，这是因为它具有某些化学和药理特性，包括通过血脑屏障的高渗透性、从正常脑组织和血液中的快速清除性以及对靶标的高亲和力结合和选择性。叶教授说，“我们的研究结果表明F0502B可选择性地与聚集的α-Syn结合，从而成为一种特异性PET示踪剂。这可以增强我们对疾病进展的了解，并有可能便于在临床试验中对疗效进行监测。”
从俄克拉荷马州一条受污染的沟渠中分离出来的一种地杆菌（Geobacter）有一种不寻常的附属物---一条长的细胞外纳米线，可以导电。这种纳米线中的电子传递链将电子从细菌中带到一种不溶性的外部电子受体，以帮助这种细菌制造能量。这种微米级的长程电子传递被认为在早期地球的微生物代谢中发挥了重要作用。如今，在一项新的研究中，来自美国阿拉巴马大学伯明翰分校、弗吉尼亚大学医学院和法国巴斯德研究所的研究人员利用生物信息学和低温电镜，发现这类由细胞色素（cytochrome）蛋白长链组成的纳米线似乎在原核微生物中无处不在---在细菌和古生菌中都是如此。相关研究结果发表在2023年6月22日的Cell期刊上，论文标题为“Extracellular cytochrome nanowires appear to be ubiquitous in prokaryotes”。
古生菌是除细菌之外的第二个原核生命领域，而且古生菌被认为是细菌与动物和植物等生命体中发现的更先进的真核细胞之间的一个古老的中间群体。除了强烈表明这些细胞外细胞色素纳米线（extracellular cytochrome nanowire, ECN）在许多依靠长距离电子传递进行代谢的原核生物中无处不在，论文共同通讯作者、阿拉巴马大学伯明翰分校的Fengbin "Jerry" Wang博士；论文共同通讯作者、巴斯德研究所的Mart Krupovic博士；论文共同通讯作者、弗吉尼亚大学医学院的Edward H. Egelman博士说，他们的研究结果还证实，在硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）中发现的ECN并非独一无二。硫还原地杆菌有三种ECN，每种都是由三种不同的c型细胞色素（c-type cytochrome）中的一种组成的长链。每个c型细胞色素分子包含多个血红素（heme），即附着在这个细胞色素上的含铁卟啉，并在电子转移中发挥作用。血红素更多地被称为红细胞血红蛋白中的氧载体。这些作者查看了预测携带具有多个血红素的c型细胞色素的古生菌物种的基因数据集，他们使用多种过滤器来识别可能形成ECN的细胞色素。这样的细胞色素蛋白必须：1）具有一个“信号肽序列”，有助于将蛋白运送到微生物的膜上；2）缺乏必须插入细胞膜的跨膜区域；3）与同一菌株中的其他携带具有多个血红素的c型细胞色素一起编码；以及4）缺乏与现有已知蛋白褶皱的序列同源性，这意味着这些细胞色素被预测为具有尚未见过的三维二级结构。根据这些标准，他们测试了三种候选的极度嗜热菌ECN，他们能够从其中两种属于不同门类的古生菌物种中培育出ECN---通过低温电镜鉴定。他们还使用低温电镜确定了这两种ECN的分子结构，分辨率分别为3.8和4.1埃米。第一种ECN来自超嗜热古生菌Pyrobaculum calidifontis，它是从菲律宾的一个陆地温泉中分离出来的。另一种ECN来自Archaeoglobus veneficus，它是从大西洋中脊11500英尺深的蛇坑深海热液喷口处分离出来的。在实验室里，Archaeoglobus veneficus是在167°F下生长的。这些作者能够从这两种古生菌的基因组中的一些不同的c型细胞色素中确定哪种特定的c型细胞色素被用来生长它的ECN。这些纳米线分别被命名为PcECN，即P. calidifontis ECN，和AvECN，即A. veneficus ECN。PcECN T和AvECN与硫还原地杆菌中的两种ECN有三个惊人的相似之处。
首先，这四种ECN都有绝缘的血红素，这意味着蛋白像铜线上的绝缘层一样包围着内部的血红素，因此血红素受到保护，不受溶剂的影响。其次，这四种ECN中的每个细胞色素单元有四个血红素位点。第三，尽管不同ECN中的结构不相关的细胞色素在蛋白褶皱中没有显示出相似性，但这四种ECN中的三维血红素堆积模式都非常相似。这表明，有一种优化的血红素堆积模式适用于溶剂无法接触的ECN。当这些作者搜索蛋白数据库（Protein Data Bank）时，他们惊讶地发现这种血红素堆积也存在于那些在较短距离内传递电子的酶中，尽管它们之间存在功能上的分歧，而且没有可识别的蛋白褶皱相似性。这些蛋白包括亚硝酸盐还原酶、亚硫酸盐还原酶、NrfB、光合细胞色素c552、羟胺氧化还原酶、Mtr复合物和三种类型的氧化还原酶。因此，四血红素阵列模式在自然界中普遍存在，这表明这是一种进化优化的血红素取向，用于高效的电子转移。这些作者发现，ECN细胞色素的同源物---具有共同进化起源的其他蛋白---在古生菌中广泛存在。具体来说，PcECN的同源物在古生菌目Desulfurococcales中被检测到，而AvECN的同源物分布更广。AvECN的同源物在Archaeoglobales目其他嗜热成员中被发现，也在Syntrophoarchaeales目降解烷烃的古生菌、Methanoperedenaceae科的甲烷氧化菌和多个被称为Borgs的超大质粒中发现。Borgs与甲烷氧化的Methanoperedens古生菌有关。Wang及其同事们展示了这些同源物之间的进化关系。他们还发现，参与血红素附着和协调的氨基酸基序在Archaeoglobales、Syntrophoarchaeales和Methanoperedenaceae以及Borgs中都很保守，这表明这些具有生态重要性的古生菌可以形成结构相似的ECN。其他生物信息学分析表明，AvECN蛋白家族和一种来自紫硫光合细菌的c552家族细胞色素在进化中有着共同的祖先。
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