使用新算法發(fā)現(xiàn)果蠅視覺系統(tǒng)新神經(jīng)元類型
紐約大學(xué)研究人員利用自己開發(fā)的可以在發(fā)育過程中找到并標(biāo)記神經(jīng)元的新工具,在果蠅視覺系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了新類型的細(xì)胞。
該研究發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上,結(jié)合了單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)與新算法,識別出果蠅大腦中指向以前未知細(xì)胞的基因?qū)Α?/span>
果蠅長期以來被用作模式生物,用于研究大腦發(fā)育和功能的基本問題。與人類860億個(gè)神經(jīng)元不同,果蠅只有約10萬個(gè)神經(jīng)元,這使得對大腦的研究成為一個(gè)更可管理且仍很復(fù)雜的事業(yè)。
能夠區(qū)分果蠅不同類型細(xì)胞的基因工具,徹底改變了對大腦神經(jīng)電路的研究,讓科學(xué)家能夠精確地理解電路的發(fā)育、功能和行為。
紐約大學(xué)生物學(xué)和神經(jīng)科學(xué)銀色教授、該研究的主要作者Claude Desplan表示,中樞神經(jīng)系統(tǒng)的一個(gè)重要特征是不同細(xì)胞類型的多樣性,它們負(fù)責(zé)如此多的不同功能。
Desplan實(shí)驗(yàn)室以前的研究利用單細(xì)胞測序確定了發(fā)育期果蠅視覺系統(tǒng)約有200種細(xì)胞類型。單細(xì)胞測序揭示了基因表達(dá),所以當(dāng)細(xì)胞具有相同的基因表達(dá)模式時(shí),它們可能執(zhí)行相同的功能,因此屬于相同的細(xì)胞類型。
科學(xué)家們可以根據(jù)基因表達(dá)和以前的研究來識別發(fā)育期果蠅視覺系統(tǒng)中大約一半的200種細(xì)胞類型,但他們?nèi)狈σ环N更容易研究和標(biāo)記其他100種細(xì)胞類型的方法。現(xiàn)有的準(zhǔn)確操作成熟果蠅神經(jīng)電路的工具,在發(fā)育期往往無法標(biāo)記同樣的神經(jīng)元,使這些工具不適合研究發(fā)育期大腦中的細(xì)胞。
研究第一作者陳裕仁表示,此前識別細(xì)胞類型的方法需要艱苦地測試大量候選基因組合。他們知道需要一個(gè)更有效的方法來標(biāo)記特定的細(xì)胞類型,并能利用越來越多的可獲得的單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)。
陳和同事們開發(fā)了一種工具,利用發(fā)育期果蠅視覺系統(tǒng)廣泛的單細(xì)胞測序數(shù)據(jù),識別在某些細(xì)胞類型中專門表達(dá)的基因及基因組合。
為了找到一個(gè)細(xì)胞類型,研究人員通常尋找特異性基因標(biāo)記。但一個(gè)基因常在多個(gè)細(xì)胞類型中表達(dá),使其難以用一個(gè)基因區(qū)分它們。他們開發(fā)的工具使用稍不同的方法:找到兩個(gè)基因僅在一個(gè)細(xì)胞類型中重疊表達(dá)。
通過將單細(xì)胞RNA測序數(shù)據(jù)輸入到他們開發(fā)的算法中,研究人員系統(tǒng)地識別出在果蠅視覺系統(tǒng)多個(gè)發(fā)育階段的大多數(shù)細(xì)胞類型中獨(dú)特表達(dá)的基因?qū)?。其中一個(gè)基因?qū)?dǎo)致發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的MeSps細(xì)胞類型。
陳表示,盡管長期研究果蠅視覺系統(tǒng),但我們從未見過這種細(xì)胞類型。
未來的研究將深入探究MeSps的發(fā)育和功能,例如它是否檢測光的顏色、運(yùn)動或其他特征。而這些研究將得益于新工具的研究人員指出,只要有單細(xì)胞數(shù)據(jù),他們的工具也可以用于研究果蠅視覺系統(tǒng)之外的其他系統(tǒng)。此外,他們尋找基因?qū)?biāo)記的邏輯,而不是單一基因標(biāo)記,也可以應(yīng)用于其他物種的研究中。
陳表示,與尋找單一好的標(biāo)記基因不同,僅僅尋找兩個(gè)基因的簡單改變就可以實(shí)現(xiàn)高細(xì)胞類型特異性。Desplan說,這種先驅(qū)性和高效的方法為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域提供了卓越的工具,以高精度調(diào)查發(fā)育問題。除陳和Desplan外,研究作者還包括紐約大學(xué)的陳永忠、Raghuvanshi Rajesh以及本科生Nathalie Shoji和Maisha Jacy;密蘇里大學(xué)堪薩斯城分校的Haluk Lacin;多倫多大學(xué)密西沙加分校的Ted Erclik。這項(xiàng)研究為解析果蠅神經(jīng)系統(tǒng)奧秘提供了創(chuàng)新思路和有力工具,也為其他物種的神經(jīng)科學(xué)研究帶來啟發(fā)。單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)的利用為標(biāo)記特定細(xì)胞類型提供了更高效的途徑。這項(xiàng)先驅(qū)性工作有助科學(xué)家更深入理解腦電路的發(fā)育和功能,揭示大腦復(fù)雜性的奧秘。
More information: Chen, Yu-Chieh David et al, Using single-cell RNA sequencing to generate predictive cell-type-specific split-GAL4 reagents throughout development, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2307451120
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