포유류 일차 운동 피질의 다중 모드 세포 인구 조사 및 아틀라스

Nature 598권, 86~102페이지(2021)이 기사 인용

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여기에서 우리는 BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN)의 초기 제품으로 다중 모드 세포 인구 조사와 포유류의 일차 운동 피질 아틀라스의 생성을 보고합니다. 이는 단일 세포 전사체, 염색질 접근성, DNA 메틸로메스, 공간적으로 분해된 단일 세포 전사체, 형태학적 및 전기 생리학적 특성 및 세포 해상도 입력-출력 매핑의 조정된 대규모 분석을 통해 달성되었으며, 교차 모달 계산 분석을 통해 통합되었습니다. 우리의 결과는 뇌 세포 유형 조직에 대한 집단적 지식과 이해를 향상시킵니다1,2,3,4,5. 첫째, 우리의 연구는 전사체, 개방 염색질 및 DNA 메틸화 지도를 통합하는 피질 세포 유형의 통합된 분자 유전적 환경을 보여줍니다. 둘째, 종간 분석은 전사체 유형과 생쥐에서 마모셋, 인간까지 보존되는 계층적 조직에 대한 합의된 분류를 달성합니다. 셋째, 현장 단일 세포 전사체학은 운동 피질의 공간적으로 분해된 세포 유형 아틀라스를 제공합니다. 넷째, 교차 양식 분석은 생리학적 및 해부학적 특성과 같은 신경 표현형의 전사체, 후생유전체 및 유전자 조절 기반에 대한 강력한 증거를 제공하여 신경 유형의 생물학적 타당성과 게놈 기반을 입증합니다. 우리는 또한 글루타메이트성 뉴런 유형을 대상으로 분자 및 발달 정체성을 회로 기능에 연결하기 위한 광범위한 유전 도구 세트를 제시합니다. 함께, 우리의 결과는 다층 분자 유전 및 공간 정보를 다각적 표현형 특성과 통합하는 신경 세포 유형 조직의 통합적이고 기계적인 프레임워크를 확립합니다.

신체 기관 중에서 독특한 인간의 뇌는 정보 처리 장치의 방대한 네트워크로, 수조 개의 시냅스를 통해 상호 연결된 수십억 개의 뉴런으로 구성됩니다. 다양한 신경 세포와 비신경 세포는 정신 활동과 행동의 근간을 이루는 네트워크 역학과 계산을 함께 형성하는 광범위한 분자, 해부학 및 생리학적 특성을 나타냅니다. 뇌 네트워크는 발달 과정에서 자가 조립되어 진화에 의해 형성된 게놈 정보를 활용하여 개인 간에 거의 동일한 고정 관념의 네트워크 비계 세트를 구축합니다. 인생 경험은 각 개인의 신경 회로를 맞춤화합니다. 뇌의 구조, 발달, 기능 및 질병을 이해하기 위한 필수 단계는 뉴런 및 기타 세포 유형의 구성 요소를 발견하고 지도화하는 것입니다.

뇌 회로의 기본 단위로서 구성원 간에 유사한 특성을 갖는 '뉴런 유형'이라는 개념은 한 세기가 넘도록 중요한 개념이었습니다. 그러나 엄격하고 정량적인 정의는 놀랍게도 여전히 파악하기 어렵습니다1,2,3,4,5. 뉴런은 국소적으로나 장거리 축삭 돌기에서 모두 매우 복잡하고 이질적이며 전체 뇌에 걸쳐 많은 표적 영역에 연결될 수 있습니다. 많은 기존 기술은 한 번에 하나의 뉴런을 분석하고 종종 불완전한 방식으로 하나 또는 두 개의 세포 표현형만 연구합니다(예: 먼 표적에서 축삭 가지가 누락됨). 결과적으로 지난 수십 년 동안의 주요 발전에도 불구하고 뉴런 유형의 표현형 분석은 해상도, 견고성, 포괄성 및 처리량에서 심각하게 제한되어 있습니다. 서로 다른 세포 표현형(다중 모드 대응) 간의 관계의 복잡성은 신경 분류에 대한 오랜 논쟁을 불러일으켰습니다.

단일 세포 유전체학 기술은 개별 세포의 전사체 및 후성유전체 프로파일을 측정하기 위한 전례 없는 분해능과 처리량을 제공하며 신경과학을 포함한 생물학의 여러 분야에 급속히 영향을 미쳐 표현형 기술 및 분류에서 기계론적이고 설명적인 분자 유전적 프레임워크로의 전환을 촉진할 것으로 기대됩니다. 뇌 조직의 세포 기반. 신피질과 기타 뇌 영역에 단일 세포 RNA 시퀀싱(scRNA-seq)을 적용하면 수십 년간의 해부학적, 생리학적, 발달 연구에서 얻은 지식과 전반적으로 일치하는 전사체 세포 유형의 복잡하지만 다루기 쉬운 계층적 조직이 밝혀졌습니다. 비교할 수 없는 수준의 세분성7,8,9,10,11. 마찬가지로, 단일 세포 DNA 메틸화 및 염색질 접근성 연구는 뇌의 세포 유형별 게놈 전반의 후성유전학적 지형과 유전자 조절 네트워크를 밝히기 시작했습니다12,13,14,15. 특히, 이러한 방법의 확장성과 높은 정보 콘텐츠는 모든 세포 유형의 포괄적인 정량 분석 및 분류를 가능하게 하며, 이는 종 전반에 걸쳐 뇌 조직에 쉽게 적용 가능하고 비교 분석의 정량적 수단을 제공합니다.

4) (e) between pairs of species. Asterisks denote non-neuronal populations that were under-sampled in human. DE, differentially expressed. f, Venn diagrams of shared differentially expressed genes between species for L2/3 IT and L5 ET subclasses. g, Conserved and species-enriched differentially expressed genes for all glutamatergic subclasses shown in an expression heat map. h, Conserved markers of GABAergic neuron types across three species. Data may be viewed at NeMO Analytics. Marmoset silhouette is adapted from www.phylopic.org (public domain). Exc, excitatory; max, maximum; astro, astrocyte; endo, endothelial cell; oligo, oligodencrocyte; OPC, oligodendrocyte progenitor cell; PVM, perivascular macrophage./p>

0.7 classification power. Markers were used as input to guide alignment and anchor-finding during integration steps. For full methods see ref. 38. Code for generating Figs. 1b–h, 3, Extended Data Fig. 2 is available at http://data.nemoarchive.org/publication_release/Lein_2020_M1_study_analysis/Transcriptomics/flagship/. Analysis was performed in RStudio using R version 3.5.3, R packages: Seurat 3.1.1, ggplot2 3.2.1 and scrattch.hicat 0.0.22./p> 0.1 (~95th percentile of the whole matrix) as a threshold to associate a cluster with a module. Similarly, we associated each module with accessible elements using the basis matrix. For each element and each module, we derived a basis coefficient score, which represents the accessible signal contributed by all clusters in the defined module./p> 2). To perform the motif enrichment analysis, we used known motifs from the JASPAR 2020 database86 and the subclass specific hypo-CG-DMR identified in Yao et al.37. The AME software from the MEME suite (v5.1.1)87 was used to identify significant motif enrichment (adjusted P-value < 10−3, odds ratio > 1.3) using default parameters and the same background region set as described37. All genes in Extended Data Fig. 7 were both significantly expressed and had their motif enriched in at least one of the subclasses./p>

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