东说念主类神经类器官是由体外多颖悟细胞产生的，是究诘东说念主类大脑发育、进化和疾病的有效器用。可是，目下尚不明晰东说念主类大脑的哪些部分被现存的有筹谋所笼罩，且很难定量评估类器官的变异和保真度。该究诘将普及26个有筹谋的36个单细胞转录组数据集整合到一个集成的东说念主类神经类器官细胞图谱中，以为超越170万个细胞。映射到发育中的东说念主脑参考图谱暴露了体外产生的原代细胞类型和情景，并推断了不同有筹谋华夏代和类器官对应物之间的转录组相似性。还提供了一个纪律化的界面来浏览图谱和查询新的数据集，并展示了图谱在审视类器官细胞类型和评估新的类器官有筹谋方面的纷乱功能。临了究诘标明图谱不错看成一个不同的对照队伍来审视和比较神经疾病的类器官模子，识别可能与神经模子的病理机制关联的基因和路线。东说念主类神经类器官细胞图谱将有助于评估类器官保真度，表征混乱和病变情景，并促进有筹谋的制定。

著述先容

伸开剩余90% 题目：东说念主类神经类器官的整合转录组细胞图谱 杂志：Nature 影响因子：50.5 发表时代：2024年11月

#1

究诘布景

Background

东说念主类神经类器官是体外培养的自组织三维东说念主类神经组织，正在成为究诘东说念主类大脑发育、进化和疾病机制的有劲器用。它们不错使用外部模式因子来率领它们向特定大脑区域发育或运转特定细胞类型的出现。相背，无率领的有筹谋依赖于类器官的自我模式才气来产生不同的细胞类型和情景。单细胞RNA测序（scRNA-seq）是一种表征复杂组织中细胞类型异质性的纷乱时候，揭示了神经类器官中多种祖细胞、神经元和胶质细胞类型的显耀异质性，以及某些神经谱系的分化轨迹。这些数据还不错将东说念主类神经类器官细胞与低级东说念主类大脑中的细胞进行比较，大大批分析齐揭示了分子特征的高度相似性。还报说念了显耀互异，包括与培养基身分关联的互异基因抒发和与糖酵解关联的代谢特征混乱。尽管如斯，对类器官组织的分析扶助了对早期大脑发育的有效空洞，scRNA-seq纪律已被应用于究诘神经细胞类型行运决定的分子基础、灵长类动物的进化互异和神经疾病的病理变化。可是，目下尚不明晰哪些发育中的核心神经系统部分不错用现存的有筹谋生成，哪些仍然阑珊。因此，系统地量化神经类器官细胞的转录组保真度仍然具有挑战性。

这项究诘将36个scRNA-seq聚拢到一个整合的转录组细胞图谱中来惩办这些挑战，这些数据集涵盖了很多东说念主类神经类器官合同。通过建立一个分析管说念不错全面和定量比较类器官图谱和发育中的东说念主脑图谱，配合了原代和类器官系统中细胞群的审视，推断了不同神经类器官有筹谋产生不同大脑区域的才气和精度，并详情了在类神经器官中代表性不及的原代细胞群。该究诘推断了神经类器官中神经元的转录组保真度，并详情了先前态状的细胞应激是分别体外神经元与原代神经元代谢情景的一个宽敞因素，而不会激烈影响神经元细胞类型的核心特质。咱们将神经类器官形态发生筛选的数据映射到综合图谱中，以评估区域特异性和新情景的产生。还蚁集11个scRNA-seq数据集，以建模10种不同的神经疾病，并将整合的数据映射到神经类器官图谱中，用于细胞类型审视和互异抒发（DE）分析。临了阐述不错通过将新数据投影到面前舆图集来推广舆图集。综上，该职责提供了丰富的资源和一个新的框架来评估神经类器官的保真度，表征混乱和病变情景，简化有筹谋的制定。

#2

究诘关节点

Points

HNOCA构建：数据经管、协融书册成； HNOCA与与东说念主类大脑发育参考图谱对比、转录组保真度分析； HNOCA应用于构建神经关联疾病模子。

#3

关节究诘效果

Results

1、数据经管、协融书册成

为了构建HNOCA，蚁集来自36个数据集的scRNA-seq数据和精通的、合并的时候和生物元数据，其中包括34个已发表的数据集和2个尚未发表的数据集，经过一致的预处理和质料抑制，共计177万个细胞。HNOCA代表了26种不同的神经类器官分化有筹谋（包括3种非率领和23种率领）在7 - 450天的时代点上产生的细胞类型和情景。UMAP镶嵌凸起了三种神经元分化轨迹，分别对应于背端脑、腹端脑和非端脑群体，以及从祖细胞到胶质细胞类型（如星形胶质细胞和少突胶质细胞前体）的轨迹。来自非率领和率领有筹谋的细胞分散在系数轨迹上。为了陈说细胞情景和类型的动态和相通，使用moscot在神经最优运载的基础上重建了HNOCA细胞的及时见告伪时代。聚焦于背端脑端神经轨迹，不雅察到SoX2（神经祖细胞NPCs）、BCL11B（深层皮层神经元）和SATB2（表层皮层神经元）等象征基因的一致伪时代抒发谱。为了进一步惩办非端脑神经元之间的异质性，对该群体进行了亚聚类，揭示了很多具有不同象征基因抒发特征的神经元群体（图1）。

图1

2、HNOCA投影到东说念主类发育中的大脑图谱

为了评估细胞类型审视，并更精确地审视异质性的非端脑神经元群，将HNOCA与最近发表的发育中的东说念主脑单细胞转录组图谱进行了比较。升沉的标签与该究诘分拨的标签高度一致，使省略细化HNOCA非端脑NPCs和神经元的区域审视，以及非端脑神经元的NTT审视，从而得到最终的分层HNOCA细胞类型审视。将类器官细胞与东说念主类大脑发育的早期阶段进行比较，从妊娠早期不雅察到的细胞情景到妊娠中期不雅察到的更教训情景的相通，况兼莫得发现与后期的实质性匹配。此外，还评估了每种神经类器官生成不同脑区神经细胞的才气。通过将每个类器官数据集的分数归一化，获取了一个见地来态状每种原代细胞类型在至少一个HNOCA数据齐集的发达情况。该分析阐述了HNOCA中红细胞、免疫细胞和血管内皮细胞的缺失，这些细胞均着手于非神经外胚层。正如预期的那样，端脑细胞类型在HNOCA中最具代表性。比拟之下，丘脑、中脑和小脑的细胞类型最少，包括丘脑网状核GABA能神经元、中脑背侧m1着手的GABA能神经元和m1/m2着手的谷氨酸能神经元以及小脑Purkinje细胞（图2）。

图2

3、转录组保真度类器官细胞类型

接下来，顽强了互异抒发基因（DEGs），并将HNOCA中的神经细胞类型与其主要对应的神经细胞类型进行了比较。关于大大批神经细胞类型，超越三分之一（平均34.4%，圭臬差12.1%）的DEGs在至少一半的有筹谋中是分享的，这标明类器官细胞和原代细胞之间的很多转录组互异与类器官有筹谋无关。还评估了跨区域神经细胞类型分享的互异转录组纪律，并详情了系数920个宽敞存在的、合同通用的DEGs (u DEGs，这些DEGs在16种神经细胞类型中的至少14种中互异抒发。这些uDEGs在神经元类型和合同中暴表示一致的折叠变化（r> 0.8），况兼无论合同或神经元细胞类型怎样，齐代表了类器官神经元和原代组织中神经元之间一致的分子互异。在系数920个uDEGs中，363个基因合手续上调，673个基因合手续下调，唯有59个基因（6%）在亚型或合同中不一致地抒发互异。通过对uDEGs进行基因实质富集分析，发现下调的uDEGs富集于神经发育经由中，包括神经元细胞-细胞粘歌咏突触组织。上调的uDEGs在很多代谢关联术语中富集，包括线粒体ATP合成耦合电子传递（简称电子传递）和典型糖酵解。在HNOCA和原始参考图谱中对线粒体电子传递、典型糖酵解和记号性糖酵解基因集进行评分，发现这三个术语齐暴露了类器官细胞和原代细胞的显耀分离。此外，该究诘不雅察到脑区域依赖性的转录组相似性互异。举例，来心仪大批脑区的背侧部分的类器官神经元与来心仪大批脑区的腹侧部分的细胞类型在类器官数据齐集发达出更高的相似性（图3）。

图3

4、HNOCA促进类器官有筹谋评估

从最近发表的多路神经类器官形态发生筛选中检索了scRNA-seq数据，并将其投影到HNOCA和主要参考潜在空间中。通过升沉了区域标签，发现与提供的区域标注高度一致，但在前脑、中脑和后脑的每个宽脑切片平分辨率更高。因此，升沉的审视允许更全面地评估不同形态发生条目对生成不同脑区神经元的影响。进一步野心参考细胞在每种筛选条目下的存在分数，并将不同筛选条目下的数据与36个HNOCA数据集进行比较。对平均在场得分使用分层聚类揭示了很多屏幕条目下不同的在场得分概况。接下来，回来了通盘形态原筛选数据的最大存在分数，并将其与HNOCA数据进行比较，以详情在筛选中存在加多的主要参考细胞类型。该分析凸起了在特定筛选条目下品貌显耀加多的几个参考细胞簇，如腹侧端脑的LHX6/ACKR3/MPPED1三阳性GABA能神经元和腹侧中脑的多巴胺能神经元。总而言之，将形态学筛选查询数据投射到HNOCA和主要参考文件中，不错对形态学筛选数据进行考究审视，并对新的分化有筹谋的价值进行全面和定量的评估，以产生昔时在神经类器官中未被充分代表或阑珊的神经元细胞类型（图4）。

图4

5、HNOCA有助于疾病模子的解释

接下来，测试了整合的HNOCA是否不错看成评估神经疾病类器官模子的对照队伍。蚁集了来自10个神经类器官疾病模子和相顶住照的11个scRNA-seq数据集。将数据投影到HNOCA和主要参考图齐集以传输审视，发当今大大批究诘中，疾病模子类器官与各自的究诘特异性对照类器官之间的细胞类型和脑区域构成存在互异。该究诘斥地了一种基于wkNN的计谋，为每个疾病模子类器官scRNA-seq数据齐集的每个细胞生成匹配的HNOCA元细胞），并量化了它们的转录组相似性。胶质母细胞瘤类器官数据集暴露，与其他疾病模子比拟，它们与主要对应器官的相似性显著较低。为了评估这些转录组互异，在胶质母细胞瘤和匹配的对照元细胞之间进行了DE分析。聚焦于AQP4+群体，在胶质母细胞瘤细胞中发现了1951个DEGs，与匹配的HNOCA元细胞比拟，发现RBM25 CALD1、HNRNPU7和SPARC68等基因的抒发加多，系数这些基因齐被报说念与胶质母细胞瘤关联。接下来，要点究诘了FXS的类器官模子，其中对照类器官中的NPCs和神经元具有非端脑的特质，而疾病模子类器官主要包含端脑细胞（图5）。

图5

6、通过数据投影推广HNOCA

新的东说念主类神经类器官scRNA-seq数据集不休产生，愚弄这些独特的数据不休推广和更新HNOCA将具有热切意旨。因此建立了一个野心器用包，将新的scRNA-seq数据投射到HNOCA。使用基于wkNN的标签升沉来配合细胞类型审视，并将细胞置于现存的类器官单细胞转录组环境中，如HNOCA所示。使用本究诘纪律将进一步的数据集映射到HNOCA，通过加多现存思经类器官合同和类器官中生成的神经细胞类型的笼罩界限，增强了图谱。为了使究诘东说念主员省略在我方的分析中使用HNOCA，提供了多样探索和与舆图集交互的选项（图6）。

图6

小结

该究诘展示了HNOCA怎样通过将神经类器官的独特单细胞转录组数据投射到图谱中来推广和更新。此外，该究诘斥地了一个野心器用包，HNOCA器用，这将使其他究诘东说念主员省略空洞咱们究诘中应用的分析框架。总之，HNOCA将保合手最新情景，并继续响应体外类器官中产生的东说念主类神经细胞情景的景不雅，看成神经类器官群落的生涯资源，省略评估类器官保真度，表征混乱和病变情景以及制定新有筹谋。

参考文件

He Z, Dony L, Fleck JS, Szałata A, Li KX, Slišković I, Lin HC, Santel M, Atamian A, Quadrato G, Sun J, Pașca SP; Human Cell Atlas Organoid Biological Network; Camp JG, Theis FJ, Treutlein B. An integrated transcriptomic cell atlas of human neural organoids. Nature. 2024 Nov;635(8039):690-698. doi: 10.1038/s41586-024-08172-8. Epub 2024 Nov 20. PMID: 39567792; PMCID: PMC11578878.

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发布于：江苏省