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Science最新研究:大规模单细胞测序构建首个人脑神经元表达图谱

来源:生物谷 2016-06-23 13:48


在一项新的项研究中,来自美国加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的研究人员开发了首个方法用于人类大脑神经性元不同亚型的鉴定,奠定了"绘制"人脑神经元细胞基因活性方法的基础;同时,可以帮助我们更好的理解人脑正常功能及疾病异常,包括阿尔茨海默氏症、帕金森症、精神分裂症和抑郁症等。通过分离和对单个人类大脑神经元细胞核进行单细胞核转录组测序,研究人员在人脑的六个高级功能区确定了16种神经元亚型。
 
这项新的研究成果反应了一个逐渐被普遍理解的事实,即个体大脑细胞是独一无二的--这些细胞表达不同的基因,承担不同的功能。为了更好地理解这种多样性,研究人员对分布在脑皮质中6个不同的Brodmann区域,并且承担不同功能的3200多个神经元细胞进行了分析。
 
UCSD生物工程系张鹍教授表示:"这项研究构建了一个完整的体系去观察以及比较单个神经元细胞;这可以帮助我们认清究竟有多少类亚型的脑神经元细胞存在。"通过对这些神经元细胞亚型的认知,研究人员可以构建出人脑细胞"参考图谱";这是我们理解正常健康大脑与异常疾病大脑的基础。"未来,脑部疾病或异常患者可以根据与'参考图谱'比对的差异,而获得更精准的诊断及个体化的治疗。这与人类基因组图谱的确立非常相似。"张鹍教授表示。
  
为了实现在成人脑组织做大规模单细胞测序,张鹍教授整合了四个研究团队合作开发了一个全新的基于细胞核RNA测序的技术平台。由神经学教授Jerold Chun领导的Scripps研究所(TSRI)团队负责分离、提取单个脑神经元细胞核;张鹍教授团队在Fluidigm(单细胞研究及微流控芯片制造商)支持下,开发了在单个神经元细胞核RNA扩增以及文库构建的流程中;Illumina公司范建兵团队负责RNA文库的测序;UCSD生物化学系王巍教授团队开发了相应算法,负责测序数据的分析。
在未来的研究中,研究人员计划分析其他Brodmann区域的神经元,并且考查是否还有其他神经元亚型存在于其他区域。他们还计划研究包括正常人和病人多个个体大脑(本研究只涉及一个)的差异性。
  
本研究由美国加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的Blue B. Lake, Rizi Ai, Rui Liu, Andre Wildberg, Derek Gao, Ho-Lim Fung, Song Chen, Wei Wang and Kun Zhang;Scripps研究所(TSRI)的 Gwendolyn E. Kaeser, Yun C. Yung, Julian Wong, Allison Chen, Xiaoyan Sheng and Jerold Chun;以及Illumina公司的Neeraj S. Salathia, RaakheeVijayaraghavan, Fiona Kaper, Richard Shen, MostafaRonaghi and Jian-Bing Fan共同完成。并由美国国立卫生研究院单细胞分析项目基金资助。
  
这项迄今为止最大规模的人脑单细胞测序计划由美国加州大学圣地亚哥分校生物工程系的张鹍教授总牵头,四个中心共同参加。张鹍教授,同时是鹍远基因公司联合创始人兼科学顾问,在过去十年间在高通量测序技术的开发和应用方面一直处于世界前列。张鹍教授在2006年第一个实现单细胞全基因组测序,对应文章发表在Nature Biotechnology上;2009年与高远教授共同开发了第一个大规模DNA甲基化靶向测序技术,对应文章成为Nature Biotechnology封面文章;2011年在Nature上发表关于诱导干细胞(iPS)中存在基因组不稳定性的文章,成为当年全世界发表所有文章中引用数目前十位的文章。2013年最新开发微孔阵列单细胞测序技术(MIDAS),不仅对应文章成为Nature Biotechnology的封面文章,本身还获得Genome Technology Magazine杰出青年研究员上升之星称号。
 
作为主要作者之一的刘蕊博士,现任鹍远基因CTO。刘蕊博士是美国宾夕法尼亚大学遗传学博士,加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)生物工程系博士后和副研究员。2012年和哈佛大学张毅教授实验室合作,深度测序生殖细胞的超低量全转录组全基因组表观遗传文库,首次证明了去甲基化和有丝分裂的分子关联基础,以共同第一作者的身份在Nature上发表了相关文章。从2013年起,主管实验室多中心(UCSD, Scripps, Illumina) 合作的NIH重点项目-单细胞转录组测序技术(SCAP),构建人类神经细胞的表达谱。
 
Neuronal subtypes and diversity revealed by single-nucleus RNA sequencing of the human brain
 
DOI: 10.1126/science.aaf1204
 
The human brain has enormously complex cellular diversity and connectivities fundamental to our neural functions, yet difficulties in interrogating individual neurons has impeded understanding of the underlying transcriptional landscape. We developed a scalable approach to sequence and quantify RNA molecules in isolated neuronal nuclei from a postmortem brain, generating 3227 sets of single-neuron data from six distinct regions of the cerebral cortex. Using an iterative clustering and classification approach, we identified 16 neuronal subtypes that were further annotated on the basis of known markers and cortical cytoarchitecture. These data demonstrate a robust and scalable method for identifying and categorizing single nuclear transcriptomes, revealing shared genes sufficient to distinguish previously unknown and orthologous neuronal subtypes as well as regional identity and transcriptomic heterogeneity within the human brain. 
(生物谷Bioon.com)

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