标题：Decoding transcriptional identity in developing human sensory neurons and organoid modeling

发表杂志：Cell

IF：45.5

发表时间：December 26, 2024

背根神经节（DRG）作为感觉神经元胞体的聚集地，承担着将感觉信号从外周传入中枢的重要功能。神经嵴细胞（NCC）可以分化为DRG中的多种感觉神经元和神经胶质细胞，这一过程需要特异的信号分子和转录因子的精细调控。目前，对DRG发育和细胞类型及功能的研究集中在小鼠模型上，但人类感觉神经元在亚型和功能基因表达上与小鼠存在一定的差异，因此对于人类DRG发育的特点和细胞命运决定的调控机制还有待于进一步研究。

2024年11月12日，北京师范大学王晓群教授、吴倩教授，广东省智能科学与技术研究院张旭院士团队合作，在《Cell》杂志上发表了题为“Decoding Transcriptional Identity in Developing Human Sensory Neurons and Organoid Modeling”的研究论文。该研究深入解析了人类背根神经节中感觉神经元的发育过程，通过构建人类胚胎DRG的单细胞时空转录组图谱和人类DRG类器官（hDRGOs）模型，增强了对感觉神经元多样化的分子机制的理解，并为研究感觉神经元的分化和功能提供了新的实验平台。这一工作为人类胚胎背根神经节研究提供了重要的时空转录组数据，有助于深入理解人类感知系统的复杂性，并为改善与感觉神经元相关疾病的治疗提供了新思路和方法。

实验设计

研究者收集了涵盖9个发育阶段的14个样本，GW7 （n=2）、GW8 （n=2）、GW9、GW10 （n=2）、GW12 （n=2）、GW14、GW15 （n=2）、GW17 和 GW21，并对这些样本进行了单细胞核测序（snRNA-seq）。此外，研究者还对GW8、GW10和GW18阶段的DRG进行了TF-seqFISH分析，针对1085个转录因子（TF）基因设计靶探针，并在GW18 DRG上进行了asmFISH实验。这种实验设计使得研究者能够系统地解析人类背根神经节在发育过程中的外部信号通路和内部转录因子调控机制。

多组学与类器官模型解析背根神经节发育

本研究通过整合多组学技术与类器官模型，系统解析了人类背根神经节（DRG）发育的时空动态，并揭示了其调控网络的独特性。研究团队利用单核RNA测序（snRNA-seq）和转录因子顺序荧光原位杂交（TF-seqFISH），对妊娠7至21周的人类胚胎DRG进行了时空转录组学分析，构建了涵盖神经嵴细胞（NCC）分化为感觉神经元和胶质细胞的动态图谱。结果显示，NCC经历两个神经发生关键窗口期，分别产生未特化感觉神经元（uSN1和uSN2），随后在视黄酸（RA）、NT-3、BDNF等信号通路调控下，uSN1分化为表达NTRK3/RUNX3的大直径机械感受器，uSN2则分化为表达NTRK1/RUNX1的中小直径痛/痒感受器。胶质细胞（卫星胶质细胞和施旺细胞）在神经发生后期通过配受体互作（如LR信号通路）参与神经元成熟，形成围绕神经元的保护性结构。

类器官的构建与感觉神经元研究

基于上述机制，研究团队通过时序性添加WNT、RA、NT-3、BDNF和βNGF等信号因子，成功构建了功能性背根神经节类器官（hDRGO）。该类器官在体外模拟了多能干细胞向NCC、感觉神经祖细胞及三类感觉神经元的分化过程，其基因表达谱与胚胎DRG高度一致，并通过钙成像验证了神经元对辣椒素的特异性响应，证实其具备痛觉信号传递能力。进一步研究发现，hDRGO中存在一类以DCC/NTRK3/NTRK1为特征的人类特异性伤害感受器亚型，该亚型在成年DRG中持续存在，并通过实验验证了其对辣椒素的激活响应，揭示了人类感觉系统的进化适应性。

转录转录因子调控与物种间神经元发育差异

此外，研究通过基因敲低实验明确了转录因子MEIS2、SKOR2和FOXO1在神经元谱系分化中的核心作用：MEIS2调控大直径神经元分化，FOXO1驱动中小直径神经元生成，而SKOR2与MEIS2协同维持分化时序的精确性。物种间比较显示，人类与小鼠在神经元发育进程、基因表达谱及伤害感受器亚型上存在显著差异，提示灵长类感觉系统的独特调控网络。

研究团队通过snRNA-seq和单细胞TF-seqFISH技术，构建了早期和中期妊娠人类胚胎DRG发育的时空图谱，揭示了外源性线索和内在TF层次结构的关键作用。同时，成功构建了人类背根神经节类器官模型（hDRGOs），在体外模拟了感觉神经元的多样性和功能建立过程。然而，类器官模型在模拟复杂神经网络、研究特定基因作用和进行谱系追踪方面仍存在局限性。未来研究需优化类器官模型，结合基因编辑和谱系追踪技术，深入探讨感觉神经元分化和成熟机制，为相关疾病治疗提供新策略。

【参考文献】

Tian Lu , Mengdi Wang , Wei Zhou ,et al.Decoding transcriptional identity in developing human sensory neurons and organoid modeling. Cell 187, 7374–7393, December 26, 2024.

http://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.023