人類的神經(jīng)系統(tǒng)就像是復雜的電路板。當電線發(fā)生交叉或者電路發(fā)生故障時，精神分裂癥或躁郁癥等疾病就能夠產(chǎn)生。
圖片來自Quake Lab。
長期以來，科學家們一直在努力鑒定大腦回路的形成方式，以便他們能夠了解讓存在問題的神經(jīng)元重新連接起來。
如今，在一項新的研究中，美國斯坦福大學的生物學教授Liqun Luo、生物工程與應用物理系教授Stephen Quake及其團隊通過逐個細胞地構建出果蠅嗅覺神經(jīng)元的詳細基因藍圖，從而在這個方向上邁出了重要的一步。相關研究結果發(fā)表在2017年11月16日的Cell期刊上，論文標題為“Classifying Drosophila Olfactory Projection Neuron Subtypes by Single-Cell RNA Sequencing”。
這項研究的基礎想法是理解相對簡單的果蠅大腦中的神經(jīng)元類型，和鑒定指導果蠅大腦中不同類型的神經(jīng)元準確地形成連接的分子。隨著時間的推移，人們想要采用類似的方法研究人大腦中復雜得多的細胞組成，甚至可能有朝一日修復大腦疾病中的錯誤連接。
單細胞RNA測序
細胞有DNA和RNA。DNA是代表著整個有機體基因藍圖的遺傳密碼。作為一種模式生物，果蠅擁有大約15000個基因，而且含有大約75%的已知的人類疾病基因。當然，并非所有的基因都是一直在表達的。每個細胞表達一組特定的基因，因而產(chǎn)生一組特定的蛋白。信使RNA（mRNA）分子攜帶著這種遺傳密碼來表達任何一種特定的細胞在任何一個時間點上可能需要的任何蛋白。
這些研究人員著重研究果蠅大腦嗅覺系統(tǒng)中的細胞。之前的實驗研究已證實果蠅的嗅覺系統(tǒng)是一種簡單的回路，這就使得它成為一種開發(fā)新的遺傳技術來探測大腦回路如何相連接的理想測試平臺。果蠅大腦的嗅覺中心有50種類型的中樞神經(jīng)神經(jīng)元（central processing neuron），它們長出將這50種類型的感覺神經(jīng)元連接在一起的絲狀細絲。每對連接在一起的神經(jīng)元允許果蠅聞出一組氣味，當組合在一起時，果蠅能夠檢測出廚房中無數(shù)的水果氣味。
為了觀察這些細胞表達的全部基因，這些研究人員采用一種由Quake開創(chuàng)的方法，從而能夠讓人們對細胞中的所有mRNA進行測序。Quake及其合作者開發(fā)出的這種單細胞測序技術已經(jīng)得到了廣泛的應用，而且也是國際上開發(fā)人細胞類型和小鼠細胞類型的綜合圖譜的基礎。但是作為論文第一作者的博士后研究員Hongjie Li和博士生Felix Horns對這種技術進行調整使得它適用于果蠅，這是因為果蠅具有較小的細胞，而且每個細胞具有更少的mRNA。
通過將Quake開發(fā)的單細胞RNA測序與Luo對果蠅嗅覺回路的詳細了解相結合，這些研究人員能夠構建出如何將特定的基因/蛋白活性與有機體神經(jīng)系統(tǒng)中的至少一個組分的生物連接相關聯(lián)在一起的首個基因藍圖。
確定細胞類型
最終，這些研究人員想要為人神經(jīng)系統(tǒng)構建基因藍圖，但是他們的第一步必須是鑒定出人大腦中的細胞組分。這是特別具有挑戰(zhàn)性的，這是因為盡管能夠通過功能、生理學性質、解剖學特征和基因表達來確定細胞的類型，但是人們很難將這些性質進行統(tǒng)一。兩個細胞可能具有相同的功能，但是具有不同的生理學性質。Luo說，“人們一直希望單細胞RNA測序會有助于解決這個問題，但是迄今為止，這并不是件簡單的事情?！?br>
鑒于在過去的二十年里，Luo和他的實驗室已很好地了解果蠅嗅覺系統(tǒng)的功能、生理學性質和解剖學特征，首先研究這種有機體是有幫助的。盡管人們?nèi)栽跔幷撊舜竽X是否具有1000或10000種細胞類型，但是Luo說，我們已知果蠅嗅覺系統(tǒng)中的細胞類型數(shù)量。這就使得這種簡單的有機體成為將基因表達與細胞類型難題中的其他部分相關聯(lián)在一起和開發(fā)一種最終研究人類大腦的過程的理想測試平臺。
新的見解
盡管這些研究人員離這個目標還有很長的距離，但是他們的發(fā)現(xiàn)已對果蠅的心理產(chǎn)生了一些有趣的見解。例如，他們發(fā)現(xiàn)在發(fā)育期間，當嗅覺神經(jīng)元選擇連接搭檔時，不同神經(jīng)元類型之間的基因表達是不同的。但是隨著果蠅發(fā)育成熟，不同神經(jīng)元類型的基因表達模式變得難以區(qū)分。Horns說，“一旦大腦建立連接，果蠅就不需要表達這些有助它們選擇連接搭檔的基因。因此，成年果蠅具有較低的基因表達多樣性?！?br>
最終的目標就是開發(fā)新的強大工具來理解在人大腦中建立連接的基因藍圖。Li說，“通過進一步開發(fā)這種方法，我們希望有朝一日進行逆向設計，可能甚至修復人大腦中的有缺陷的回路?！?br>參考資料：Hongjie Li, Felix Horns, Bing Wu et al. Classifying Drosophila Olfactory Projection Neuron Subtypes by Single-Cell RNA Sequencing. Cell, 16 November 2017, 171(5):1206–1220, doi:10.1016/j.cell.2017.10.019
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