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科学家确定了许多对果蝇神经元发育很重要的基因

神经元由高度复杂且独特的一系列细胞分裂产生。例如,在果蝇中,这一过程始于干细胞分裂成母细胞(祖细胞),然后分裂成最终成为神经元的前体细胞。

密歇根大学 (UM) 的一个团队,由研究生 Nigel Michki 和医学院生物物理学 (LS&A) 和细胞与发育生物学系的助理教授 Dawen Cai 带头,确定了许多在果蝇的神经元发育,这在以前从未被描述过。

由于许多基因在不同物种之间是保守的,例如在果蝇(果蝇)、小鼠和人类之间,因此在果蝇中学到的东西也可以作为模型来更好地了解包括人类在内的其他物种。

现在我们知道果蝇的这种神经发生形式涉及哪些基因,我们可以在其他物种中寻找它们并进行测试。我们在 UM 研究多种生物体,我们有可能跨生物体进行研究。在我看来,我们所做的工作是将告知其他将告知疾病的工作的众多工作之一。这就是为什么我们要进行这样的基础研究。”

苍蝇也常用于许多不同类型的研究,这些研究可能会受益于更全面的苍蝇基因列表及其在神经元细胞发育中的相关作用。

发现

神经元由在成为神经元之前大量繁殖的干细胞制成。在人脑中,这个过程极其复杂,涉及数十亿个细胞。在苍蝇大脑中,这个过程要简单得多,整个大脑大约有 200 个干细胞。较小的规模允许对神经元细胞分裂过程从开始到结束进行精细分析。

在果蝇中,当干细胞分裂时,它会产生另一个干细胞和一个祖细胞。当这最后一个分裂时,它会形成一个所谓的前体细胞,它只分裂一次并产生两个神经元。基因通过告诉细胞分裂——以及产生哪种特定类型的细胞——或停止分裂来控制这一生产过程。

直到今天,只有少数控制这种神经元发育过程的基因被鉴定出来,在这篇发表在Cell Reports 上的文章中,科学家们对更多的基因进行了表征。沿着神经元发育过程的时间线,UM 团队可以精确记录涉及哪些基因以及持续多长时间。

特别是,在祖细胞阶段,科学家们确定了三个在这个阶段很重要的基因,用于定义每个祖细胞将产生什么“类型”的神经元;在此背景下,这些特定基因以前从未被描述过。他们还验证了先前已知的标记基因,这些基因已知可调节细胞繁殖过程。

当他们将他们的分析技术应用于神经元发育过程的其他阶段时,他们还记录了其他基因的表达。然而,为什么这些基因在神经元发育过程的不同步骤中表达增加以及它们在这些不同步骤中实际发挥的作用仍然未知。“现在已经确定了许多候选基因,我们正在研究它们在神经元成熟和命运决定过程中的作用,”蔡说。“我们也很高兴探索其他发育时间点,以说明果蝇大脑中分子结构的动态变化。”

“这项工作提供了关于如何将干细胞后代编程为不同神经元类型以及如何将非神经元细胞类型转分化为神经元的丰富信息。这些发现将对理解正常大脑发育以及关于神经元再生医学,”与蔡实验室合作的密歇根大学生命科学研究所教授李成玉补充道。

技术

这项研究主要基于高通量单细胞 RNA 测序技术。科学家们从果蝇的大脑中取出单个细胞并对 RNA 进行测序,仅在一天之内就产生了数百 GB 的数据。根据 RNA 序列,他们可以确定每个神经元的发育阶段。“我们现在非常了解这个过程是如何在 RNA 水平上进行的,”Michki 说。

该团队还使用传统的显微镜观察来定位这些不同的 RNA 在大脑中的表达位置。“结合计算机分析和原位探索不仅验证了我们测序结果的质量,而且还恢复了候选基因的空间和时间关系,这在单细胞解离过程中丢失了,”蔡说。

在研究开始时,科学家们使用开源软件分析了大数据集。后来,他们开发了一个门户 (MiCV),可以简化现有计算机服务的使用并允许测试可重复性。该门户可用于各种器官的细胞和基因数据分析,不需要计算机编程经验。“像 MiCV 这样的工具对于第一次进行此类研究并希望从他们的数据中快速生成新假设的研究人员来说非常强大,”Michki 说。“它节省了大量的数据分析时间,以及顾问费用的开支。最终目标是让科学家们更多地专注于他们的研究,而不是有时令人生畏的数据分析工具。” MiCV 工具目前正在商业化。

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