脊髓背角的发育过程

《SCIENCE》：Ontogeny of the spinal cord dorsal horn

脊髓背角神经元通过时间分化和Zic转录因子梯度实现分层发育，单细胞测序揭示六波神经发生模式，兴奋性神经元按出生时间排列形成 lamina 层次，Zic梯度调控细胞类型分化。

　　

编辑总结

细胞类型和解剖结构是经过组织安排以执行特定功能的。Roome等人研究了脊髓背角的神经元多样化和组织结构，该区域负责接收和处理来自身体的感觉输入，将其整合后传递给大脑。通过结合近20万个细胞的单细胞转录组分析、出生时间测定、空间转录组学以及靶向功能丧失实验，作者描述了不同神经元亚型是如何通过时间和空间调控机制产生的，并阐明了这些神经元家族如何分布在空间相邻的层中，从而对脊髓发育有了更深入的理解。——Mattia Maroso

结构化摘要

引言

在我们身体的每个部分，细胞类型和解剖结构都是为了执行特定功能而组织的，哺乳动物脊髓的背角就是一个典型的例子。它由多种类型的细胞组成，这些细胞以分层微电路的形式排列，每一层接收特定的感觉和下行神经输入，并以独特的方式影响动物行为。因此，背角代表了整个动物王国中常见的神经组织模式，从脊椎动物的中脑到果蝇的视叶都是如此。因此，理解其组织逻辑可能为这类神经电路的形成及其功能提供重要见解。

研究目的

在这项研究中，我们探讨了塑造小鼠脊髓背角细胞类型和结构的发育原理。与脊椎动物脊髓的腹角不同，腹角是形态发生信号传导生成离散胚胎谱系区域的经典例子，而背角的发育一直是个谜。已知几乎整个背角是由在晚期脊髓神经发生过程中产生的看似同质的祖细胞群形成的——但具体机制是什么呢？

结果

我们首先通过单细胞RNA测序（RNA-seq）分析了胚胎脊髓中的背角神经元类型，从而能够比较基因表达特征，并描述不同神经元家族之间的层次关系和精细的神经元类型。我们发现，背角的主要组织特征是时间上的多样化，共有六波神经发生，每波产生一类兴奋性和抑制性神经元。通过绘制每个神经元家族的空间分布图，我们发现背角的分层结构实际上是一个“时间序列表”，这是由于连续波次产生的兴奋性神经元在相邻层中沉积形成的。时间序性在神经发育中是一个常见现象，但其关键作用却很少被研究。选择性地消除胚胎背角中的各类神经元——兴奋性神经元、抑制性神经元和感觉轴突——表明，仅兴奋性神经元所特有的时间序性是背角解剖结构的基础。在更精细的细胞类型层面，我们发现背角祖细胞中存在Zic转录因子的背腹梯度，这种梯度将每个家族进一步分化为不同的神经元类型，并对背角的细胞组成起着关键作用。

结论

这项工作为整理背角神经元类型提供了资源和框架，包括它们的发育起源、成年后的命运、基因表达特征以及空间分布。此外，它揭示了产生背角神经元及其解剖结构的基本时间和空间因素，从而为神经对行为的控制奠定了基础。

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控制背角发生的原理。

我们探讨了潜在的祖细胞机制在背角形成中的作用。我们证明了在转录上不同的神经元家族是依次产生的，每个家族还受到祖细胞中Zic基因正交梯度的进一步调控。此外，兴奋性神经元家族分布在空间相邻的层中，形成了有序的层状结构。E表示胚胎日；pdL表示晚期背角祖细胞；TF表示转录因子。

摘要

哺乳动物脊髓的背角由多个层组成，每一层包含不同类型的神经元，具有独特的电路连接，并在行为中扮演特定角色。一个重要的问题是，这种组织结构是如何从看似同质的神经祖细胞池中发育出来的。在这里，我们发现小鼠的背角神经元随着时间的推移而多样化，相关细胞类型的家族以时间序列的形式产生，并受到空间-分子梯度的调控，从而决定了个体细胞类型。兴奋性神经元按照时间顺序排列，这种时间顺序转化为解剖学上的层次结构，是形成正确层状结构的关键。我们确定了塑造背角祖细胞成为多种细胞类型并发挥感觉运动功能的基本发育原理。