晝夜節(jié)律在生物體中廣泛存在，對調(diào)節(jié)人們一天之中的運(yùn)動、睡眠、代謝等諸多生理過程起著重要的作用。目前認(rèn)為哺乳動物的晝夜節(jié)律是由位于大腦中的視交叉上核（Suprachiasmatic Nucleus, SCN）控制的。SCN能夠接收視網(wǎng)膜傳遞而來的外界光暗信號，自持地產(chǎn)生晝夜節(jié)律振蕩，并將節(jié)律信號傳遞到全身。在分子水平，晝夜節(jié)律是由一系列核心節(jié)律基因構(gòu)成的轉(zhuǎn)錄翻譯反饋環(huán)路（transcription-translation feedback loops, TTFL）所產(chǎn)生。
以往的研究表明核心節(jié)律基因的表達(dá)在SCN的神經(jīng)元中呈現(xiàn)出同步的振蕩，并且處于不同空間位置的細(xì)胞有不同的振蕩相位。有研究指出，SCN細(xì)胞表達(dá)多種多樣的神經(jīng)肽段和受體，由它們構(gòu)成的細(xì)胞間通訊網(wǎng)絡(luò)是SCN細(xì)胞節(jié)律基因表達(dá)同步化的重要基礎(chǔ)。以往對SCN的研究僅集中于表達(dá)VIP和AVP這兩種神經(jīng)肽段的細(xì)胞，但是SCN全面的細(xì)胞分型、不同細(xì)胞類型在SCN中的空間分布、以及這些細(xì)胞類型在晝夜節(jié)律中如何發(fā)揮作用目前都不清楚。
2020年2月18日，《自然-神經(jīng)科學(xué)》期刊在線發(fā)表了題為《小鼠視交叉上核基因表達(dá)的時(shí)空單細(xì)胞分析》的研究論文。該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)軍研究組完成。
該研究通過單細(xì)胞測序技術(shù)對小鼠晝夜節(jié)律中樞——視交叉上核進(jìn)行了系統(tǒng)性的細(xì)胞分型，發(fā)現(xiàn)了新的神經(jīng)元亞型，揭示了這些細(xì)胞亞型的基因表達(dá)在晝夜節(jié)律過程中和光照刺激下的差異，同時(shí)在單細(xì)胞水平完整重構(gòu)了各亞型細(xì)胞的三維空間分布，為研究哺乳動物晝夜節(jié)律的神經(jīng)機(jī)制奠定了重要的基礎(chǔ)。
本研究利用液滴單細(xì)胞測序(Drop-seq)、單分子熒光原位雜交（smFISH）和激光顯微切割測序（LCM-seq）等技術(shù)對不同晝夜時(shí)間點(diǎn)取樣的小鼠SCN進(jìn)行分析，通過轉(zhuǎn)錄組對SCN進(jìn)行系統(tǒng)性細(xì)胞分型的同時(shí)獲得了不同細(xì)胞類型中基因的節(jié)律表達(dá)情況，并且重構(gòu)了這些細(xì)胞類型在SCN中的三維空間位置信息。
本研究首先發(fā)現(xiàn)SCN中包括室管膜細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞等在內(nèi)的各種非神經(jīng)元細(xì)胞和神經(jīng)元一樣都存在廣泛的節(jié)律基因表達(dá)，暗示了SCN中的各類細(xì)胞都有細(xì)胞特異性的節(jié)律功能。有趣的是所有非神經(jīng)元細(xì)胞中的核心節(jié)律基因振蕩相位都明顯晚于神經(jīng)元中的振蕩相位。在神經(jīng)元中，SCN的神經(jīng)元相對于非SCN神經(jīng)元有明顯更高的核心基因表達(dá)。研究組進(jìn)一步將SCN中的神經(jīng)元分為了五種亞型，根據(jù)它們表達(dá)的基因分別命名為Avp+/Nms+, Grp+/Vip+,Vip+/Nms+, Cck+/C1ql3+和Cck+/Bdnf+（圖A-B）。
圖A：單細(xì)胞測序得到的五個SCN神經(jīng)元亞型。
圖B：smFISH展示SCN神經(jīng)元亞型的標(biāo)記基因的共標(biāo)結(jié)果。
其中，Avp+/Nms+, Vip+/Nms+和Cck+/C1ql3+三種亞型表現(xiàn)出強(qiáng)烈的節(jié)律基因表達(dá)（圖C）。位于SCN背側(cè)的Avp+/Nms+細(xì)胞和位于腹側(cè)的Vip+/Nms+細(xì)胞中節(jié)律基因表達(dá)的相位要領(lǐng)先于位于SCN前側(cè)的Cck+/C1ql3+細(xì)胞。
圖C：五個SCN神經(jīng)元亞型中的節(jié)律基因表達(dá)。
通過光刺激實(shí)驗(yàn)，本研究發(fā)現(xiàn)SCN不同神經(jīng)元亞型對光照反應(yīng)有明顯差別，其中Grp+/Vip+細(xì)胞對光照的反應(yīng)最為強(qiáng)烈，而Cck+/C1ql3+和Cck+/Bdnf+兩類細(xì)胞對光反應(yīng)最弱。這體現(xiàn)了SCN神經(jīng)元亞型在節(jié)律振蕩產(chǎn)生與光敏感性上存在功能區(qū)分。最后，本研究通過組織透明化成像完整重構(gòu)了SCN神經(jīng)元亞型在SCN中的三維空間分布（圖D），并通過激光顯微切割結(jié)合RNA測序技術(shù)，揭示了SCN內(nèi)部存在三維空間的基因表達(dá)梯度（圖E），為SCN細(xì)胞亞型的劃分以及功能上的空間各向異性進(jìn)一步提供了證據(jù)。
圖D：用透明化成像得到的SCN神經(jīng)元亞型的三維空間分布。
圖E：從LCM-seq獲得的SCN中基因的三維空間表達(dá)。
本研究采用先進(jìn)的單細(xì)胞技術(shù)，首次對晝夜節(jié)律中樞SCN進(jìn)行了全面的細(xì)胞分型、重構(gòu)和分析，得到的SCN不同細(xì)胞類型以及神經(jīng)元亞型的時(shí)空基因表達(dá)以及細(xì)胞構(gòu)筑等信息為研究哺乳動物晝夜節(jié)律的神經(jīng)機(jī)制提供了重要的線索。本工作可以用F圖來總結(jié)，寓意SCN作為生物節(jié)律核心起搏器，像棱鏡一樣把光信號轉(zhuǎn)換為節(jié)律信號，并且不同的神經(jīng)元產(chǎn)生不同相位的振蕩，折射到中國古老的日晷上的不同時(shí)辰。在人類社會中，晝夜節(jié)律紊亂會導(dǎo)致包括睡眠障礙在內(nèi)的各種疾病，因此理解晝夜節(jié)律現(xiàn)象在神經(jīng)系統(tǒng)中如何產(chǎn)生、維持以及發(fā)揮作用對人類健康具有重要意義。
圖F：這張圖寓意SCN作為生物節(jié)律核心起搏器，把光信號轉(zhuǎn)換為節(jié)律信號，并產(chǎn)生不同相位的振蕩，折射到中國古老的日晷上的不同時(shí)辰。
該項(xiàng)工作在嚴(yán)軍研究員的指導(dǎo)下，主要由博士研究生溫紹昂和馬丹宜共同完成，同時(shí)課題組的研究助理趙蒙、吳清勤和范鈺奇，博士研究生謝路成和朱傳鎮(zhèn)，高級工程師王海芳，博士后茍凌峰也做出了重要貢獻(xiàn)。本工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、上海市科技重大專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委和上海市科委青年科學(xué)家項(xiàng)目的支持。
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