單細胞時空多組學技術聯(lián)合構建前額葉皮層超高分辨圖譜

與非人靈長類動物（NHPs）及其他哺乳動物相比，人類展現(xiàn)出更卓越的認知能力 。前額葉皮層（PFC）作為支撐這些高級功能的核心腦區(qū)，其許多特性被認為具有人類獨有性。人類前額葉皮層的發(fā)育是一個高度復雜的過程，從胚胎期持續(xù)至成年期，依賴于嚴格調(diào)控的空間與時間基因表達。解析人類前額葉皮層（PFC）發(fā)育的細胞與分子特征，對于理解人類認知能力及神經(jīng)精神疾病易感性至關重要。

2025年12月11日，北京師范大學IDG/麥戈文腦科學研究院吳倩教授、鐘穗娟研究員及北京大學第一醫(yī)院蔡立新教授合作團隊在Nature Neuroscience上發(fā)表了題為“Single-cell spatiotemporal transcriptomic and chromatin accessibility profiling in developing postnatal human and macaque prefrontal cortex”的文章，該文使用10x Genomics Chromium單細胞3’基因表達+單細胞ATAC染色質(zhì)可及性分析+Xenium空間原位分析三種技術，通過整合單細胞多組學技術，首次構建了人類與獼猴出生后前額葉皮層（PFC）發(fā)育的高分辨率時空圖譜。該研究構建了一個比較性基因表達、染色質(zhì)可及性及空間轉(zhuǎn)錄組學數(shù)據(jù)庫，以單細胞分辨率記錄了人類與食蟹猴出生后PFC的發(fā)育過程。通過整合分析，研究人員勾勒出不同細胞類型在物種特異性動態(tài)軌跡中的關鍵窗口期及基因調(diào)控網(wǎng)絡，為相關研究提供了重要線索。

本研究系統(tǒng)性使用了10x Genomics的三個技術平臺的產(chǎn)品：

1. 單細胞核RNA測序（snRNA-seq）

所用產(chǎn)品：10x Genomics Chromium Single Cell 3' Reagent Kit（v3.1）

以單細胞分辨率捕獲單個細胞基因表達譜，解析了基因表達特征，避免了組織水平測序的 “平均效應”，精準捕獲稀有細胞亞型（如人類特異性 APC-2 膠質(zhì)前體細胞）的特征，挖掘出傳統(tǒng)方法難以發(fā)現(xiàn)的細微差異。

2.單細胞核ATAC測序（snATAC-seq）

所用產(chǎn)品：10x Genomics Chromium Next GEM Single Cell ATAC Reagent Kits（v1.1）

以單細胞分辨率解析染色質(zhì)可及性，識別細胞類型特異性的基因調(diào)控網(wǎng)絡，關聯(lián)轉(zhuǎn)錄組與表觀組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)人類特異性染色質(zhì)開放區(qū)域，驗證基因表達與染色質(zhì)可及性的協(xié)同性，為 “轉(zhuǎn)錄調(diào)控驅(qū)動 PFC 發(fā)育差異” 提供直接證據(jù)。

3.單細胞空間轉(zhuǎn)錄組（scSpatial）

所用產(chǎn)品：10x Genomics Xenium In Situ Gene Expression Kit（v1）

根據(jù)snRNA-seq數(shù)據(jù)，研究人員選擇了469個細胞類型標記基因進行空間原位檢測，以空間分辨率明確了細胞在皮層各層的分布及遷移軌跡，獲取了基因表達的空間定位信息，為 “細胞類型 - 空間定位 - 功能” 的關聯(lián)提供了直接證據(jù)。

注：部分人類樣本整合了已發(fā)表數(shù)據(jù)（GSE168408、PRJNA434002），最終用于分析的有效樣本含 87 個（含不同發(fā)育階段重復樣本）。

最終，研究人員建立了包含細胞類型和空間定位信息的出生后發(fā)育前額葉皮層（PFC）單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，涵蓋1,089,481個人類細胞和737,691個食蟹猴細胞，鑒定出24種主要細胞類型，包括神經(jīng)祖細胞 、 膠質(zhì)祖細胞 、 興奮性神經(jīng)元（ExNs）、 抑制性神經(jīng)元（InNs）、星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞和內(nèi)皮細胞等。通過原位檢測469個細胞類型標記基因，最終映射到人類和食蟹猴的空間細胞圖譜中，繪制了 PFC 時空發(fā)育圖譜，驗證了功能基因的空間特異性表達，揭示了物種間空間組織差異。

多組學聯(lián)動，解鎖前額葉精細圖譜

10x Genomics多種產(chǎn)品聯(lián)合使用分析，實現(xiàn)了 “轉(zhuǎn)錄組 - 表觀組 - 空間” 的三維驗證：

• 三者數(shù)據(jù)交叉驗證，明確了細胞類型鑒定的可靠性（如 snRNA-seq 定義的亞型通過 scSpatial 的空間分布進一步確認），降低了單一技術的假陽性。

• 整合分析發(fā)現(xiàn) “基因表達 - 染色質(zhì)可及性 - 空間定位” 的協(xié)同差異：如人類富集亞型的特異性基因不僅轉(zhuǎn)錄水平高，其染色質(zhì)更開放且集中分布于特定皮層，形成物種特異性的 “分子 - 空間” 特征。

• 為細胞間互作分析提供基礎：結合 CellChat 工具，通過基因表達（snRNA-seq）和空間鄰近性（scSpatial），揭示星形膠質(zhì)細胞與神經(jīng)元的配體 - 受體互作網(wǎng)絡（如 SEMA4A-NRP1 通路）。

小結

在本研究中，采用單細胞核轉(zhuǎn)錄組測序（snRNA-seq）、單核轉(zhuǎn)座酶染色質(zhì)可及性測序（snATAC-seq）和單細胞空間轉(zhuǎn)錄組學（scSpatial）技術，對人類與食蟹猴前額葉皮層（PFC）發(fā)育進行了比較分析。闡明了人類PFC發(fā)育的細胞與分子特征，并鑒定出可能促進高級認知功能的人類特異性特征。

研究表明，人類前額葉皮質(zhì)的發(fā)育和成熟過程是通過獨特的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制以及人類特有的神經(jīng)元亞型和調(diào)控因子得以延長的，這些調(diào)控因子能夠控制物種特異性的神經(jīng)元遷移和成熟過程，并且伴隨著協(xié)調(diào)的神經(jīng)膠質(zhì)（星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞）的增殖和發(fā)育。通過整合轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組數(shù)據(jù)，為細胞類型特異性和物種特異性在神經(jīng)精神疾病中的易感性提供了見解。

總體而言，這些發(fā)現(xiàn)深化了對人類認知進化背后調(diào)控程序與細胞多樣性的理解，并為研究人類大腦發(fā)育與神經(jīng)精神障礙提供了重要框架。這些見解對于闡明人類認知和行為復雜性的內(nèi)在機制至關重要，并且對于評估非人靈長類動物是否適合作為研究人類神經(jīng)學和神經(jīng)/精神疾病模型也具有重要意義。

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