2015年，哈佛大學(xué)莊小威課題組在Science上介紹了一種稱(chēng)為MERFISH (multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization) 的成像技術(shù)，它是一種能夠同時(shí)測(cè)量單細(xì)胞中成百上千個(gè)RNA種類(lèi)的拷貝數(shù)和空間分布的成像方法，這使得我們可以對(duì)復(fù)雜組織中的細(xì)胞類(lèi)型進(jìn)行原位識(shí)別和空間映射，大大地促進(jìn)了我們對(duì)于組織中的細(xì)胞情況的了解。
人類(lèi)大腦皮層由數(shù)十億不同類(lèi)型的細(xì)胞組成。這些細(xì)胞的空間組織和相互作用在塑造和維持各種大腦功能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。例如，神經(jīng)元和非神經(jīng)元細(xì)胞之間的相互作用對(duì)于軸突傳導(dǎo)、突觸傳遞和組織穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，并且是大腦正常功能所必需的。這種細(xì)胞-細(xì)胞相互作用的破壞會(huì)導(dǎo)致各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病，例如自閉癥、精神分裂癥和阿爾茨海默病。然而，我們對(duì)人類(lèi)皮層中不同細(xì)胞類(lèi)型的組織和相互作用的了解有限。
最近的單細(xì)胞 RNA 測(cè)序 (scRNA-seq) 分析揭示了人類(lèi)顳中回 (MTG，與語(yǔ)言和聽(tīng)覺(jué)相關(guān)) 中轉(zhuǎn)錄不同的細(xì)胞群的多樣性。將 scRNA-seq 與顯微切割相結(jié)合的努力，以及最近針對(duì) 120 個(gè)基因的原位測(cè)序，揭示了人類(lèi) MTG 中這些轉(zhuǎn)錄定義的神經(jīng)元細(xì)胞類(lèi)型（特別是興奮性神經(jīng)元）的層狀組織。然而，這些研究并沒(méi)有以高分辨率闡明細(xì)胞類(lèi)型之間的空間關(guān)系，并且仍然缺乏對(duì)這種高度多樣性細(xì)胞類(lèi)型之間細(xì)胞-細(xì)胞相互作用的系統(tǒng)表征。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)和表觀基因組學(xué)分析也為小鼠、狨猴和人類(lèi)皮質(zhì)中細(xì)胞多樣性和細(xì)胞類(lèi)型的分子特征的進(jìn)化提供了豐富的見(jiàn)解，但不同細(xì)胞類(lèi)型之間的空間關(guān)系和相互作用如何在不同物種之間發(fā)生變化仍然存在很大程度上不清楚。
單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組成像允許對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行原位基因表達(dá)譜分析，因此可以對(duì)復(fù)雜組織中的細(xì)胞類(lèi)型組織進(jìn)行高分辨率空間映射。
鑒于此，哈佛大學(xué)莊小威院士等人使用MERFISH技術(shù)進(jìn)行人腦單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組成像，以識(shí)別皮層內(nèi)細(xì)胞類(lèi)型的空間分布。
研究人員從新鮮冷凍的神經(jīng)外科和死后大腦樣本中針對(duì)4000 個(gè)基因?qū)θ祟?lèi) MTG 和顳上回 (STG) 進(jìn)行了 MERFISH 測(cè)量。這些基因包括來(lái)自 MTG 的單核 SMART-seq 數(shù)據(jù)的細(xì)胞簇中的 764 個(gè)差異表達(dá)的標(biāo)記基因，以及在很大程度上隨機(jī)選擇以增加基因覆蓋率的其他表達(dá)基因。為了克服由于脂褐質(zhì)引起的人體組織中的高自發(fā)熒光背景，研究人員在 MERFISH 成像之前用發(fā)光二極管陣列對(duì)樣品進(jìn)行了光漂白。然后，使用擴(kuò)展顯微鏡來(lái)減少與大量基因成像相關(guān)的分子擁擠。
這些高空間分辨率細(xì)胞圖譜使我們能夠以細(xì)胞類(lèi)型特異性方式系統(tǒng)地描述基于鄰近性的體細(xì)胞相互作用，并揭示人類(lèi)和小鼠之間細(xì)胞間相互作用的差異。對(duì)于神經(jīng)元和非神經(jīng)元細(xì)胞之間的相互作用，差異尤其明顯。研究人員觀察到與小鼠皮層相比，人類(lèi)皮層中神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞之間的體細(xì)胞接觸或接近度顯著增加。神經(jīng)元周?chē)偻荒z質(zhì)細(xì)胞可以為神經(jīng)元提供代謝支持。因此，觀察到的少突膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元之間接觸富集的增加可能是進(jìn)化適應(yīng)人腦中單個(gè)神經(jīng)元放電過(guò)程中更高能量需求的結(jié)果。
圖|人和小鼠皮質(zhì)中的細(xì)胞類(lèi)型特異性細(xì)胞間相互作用
此外，研究人員觀察到與抑制性神經(jīng)元相比，人類(lèi)皮層中小膠質(zhì)細(xì)胞和興奮性神經(jīng)元之間的接觸或接近優(yōu)先富集，而小鼠皮層對(duì)這種小膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元接觸沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的富集。衛(wèi)星小膠質(zhì)細(xì)胞可以幫助維持組織穩(wěn)態(tài)，人類(lèi)遺傳學(xué)證據(jù)表明，小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)揮保護(hù)作用，降低某些神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病率。因此，該觀察可能代表人類(lèi)小膠質(zhì)細(xì)胞和興奮性神經(jīng)元之間的功能性相互作用。與非相互作用的小膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元相比，與神經(jīng)退行性疾病遺傳相關(guān)的一些配體-受體對(duì)富含接觸小膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元對(duì)，表明觀察到的小膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元相互作用的潛在分子基礎(chǔ)以及這些細(xì)胞-細(xì)胞相互作用與神經(jīng)退行性疾病的潛在聯(lián)系。
圖|人和小鼠皮質(zhì)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和血管細(xì)胞之間以及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元之間的相互作用
綜上所述，在這項(xiàng)研究中，研究人員展示了人腦組織的 4000 基因 MERFISH 成像。該 MERFISH 圖像能夠原位識(shí)別超過(guò) 100 個(gè)神經(jīng)元和非神經(jīng)元細(xì)胞群，并全面映射這些細(xì)胞在人類(lèi) MTG 和 STG 中的空間組織，從而產(chǎn)生具有高粒度的分子定義和空間分辨的細(xì)胞圖譜。
研究人員確定了小鼠和人類(lèi)大腦之間不同的細(xì)胞類(lèi)型特異性關(guān)聯(lián)模式。他們發(fā)現(xiàn)人類(lèi)比小鼠擁有更多特定的神經(jīng)元，并且這些細(xì)胞與類(lèi)似的神經(jīng)元細(xì)胞類(lèi)型更接近并相互作用。通過(guò)研究受體-配體對(duì)，作者確定了神經(jīng)元和小膠質(zhì)細(xì)胞之間可能的接觸，這可以解釋為什么某些基因與神經(jīng)退行性疾病有關(guān)。
參考文獻(xiàn)：
Conservation and divergence of cortical cell organization in human and mouse revealed by MERFISH. Science 2022.
DOI: 10.1126/science.abm1741
https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abm1741
莊小威，生物物理學(xué)家。1972年1月生于中國(guó)江蘇。1991年獲得中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)士學(xué)位，1996年獲得美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校博士學(xué)位。2012年當(dāng)選為美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，2013年當(dāng)選為美國(guó)國(guó)家藝術(shù)與科學(xué)院院士，中國(guó)科學(xué)院外籍院士、美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)科學(xué)院院士。
莊小威的主要研究領(lǐng)域是生物物理學(xué)。她在高分辨率光學(xué)成像、單分子熒光共振轉(zhuǎn)移等光子學(xué)方法及其應(yīng)用方面的開(kāi)拓性貢獻(xiàn)，極大地推動(dòng)了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展。
由阿貝確立的數(shù)百納米空間分辨率的光學(xué)衍射極限制約了對(duì)亞細(xì)胞器精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究。2006年，莊小威實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了基于單分子熒光檢測(cè)的超高分辨率成像方法，即隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)顯微術(shù) (STORM)，并應(yīng)用該方法實(shí)現(xiàn)三維超高分辨率成像。基于光化學(xué)機(jī)制，她的實(shí)驗(yàn)室合成了超亮的可光控的染料及具有最佳性能的熒光蛋白，將分辨率進(jìn)一步推進(jìn)到幾納米，比光學(xué)衍射極限高近兩個(gè)量級(jí)。在此基礎(chǔ)上也發(fā)展了活細(xì)胞快速三維高分辨熒光成像。這一系列技術(shù)發(fā)展使得熒光顯微技術(shù)進(jìn)入分子水平成像時(shí)代。全世界眾多實(shí)驗(yàn)室采用了這些技術(shù)，而基于該技術(shù)的商用STORM顯微鏡已進(jìn)入包括中國(guó)在內(nèi)的世界各地的影像平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)室中，大大促進(jìn)了生物醫(yī)學(xué)研究。
莊小威不只是開(kāi)發(fā)超分辨影像方法的先驅(qū)，同時(shí)也是應(yīng)用這些方法的領(lǐng)軍者。她將STORM廣泛應(yīng)用于從單細(xì)胞生命體到復(fù)雜的哺乳動(dòng)物的大腦，發(fā)現(xiàn)新的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，揭示全新的作用機(jī)理。例如她發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元軸突的膜骨架有一種令人吃驚的規(guī)律的周期性結(jié)構(gòu)；采用超高分辨率大容積成像繪制了神經(jīng)元突觸輸入?yún)^(qū)的圖譜，揭示該區(qū)域?qū)Ψ较蜻x擇性的作用；揭示小鼠端粒蛋白質(zhì)TRF2在端粒環(huán)形成中的必要性；發(fā)現(xiàn)精子特有的鈣離子通道和其它有關(guān)鈣信號(hào)通路分子形成一種特殊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)精子的超活化有重要意義。莊小威也是最早將單分子熒光共振轉(zhuǎn)移技術(shù)發(fā)展成探測(cè)生物分子結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的有效工具的研究者之一。她在RNA折疊方面的研究揭示了難以用常規(guī)實(shí)驗(yàn)探測(cè)的單分子短暫折疊中間態(tài)和多種折疊通路，展示了RNA折疊具有非常崎嶇的能量面；
2015年，她還發(fā)明了一種高通量的單分子熒光原位雜交方法MERFISH，可以對(duì)單個(gè)細(xì)胞中天然狀態(tài)下的數(shù)千種RNA進(jìn)行成像和定量；她揭示了染色質(zhì)重塑復(fù)合物新的調(diào)控機(jī)理；她發(fā)明的單病毒跟蹤方法可研究單個(gè)病毒進(jìn)入細(xì)胞與細(xì)胞內(nèi)吞機(jī)器的相互作用。這些系列工作均為生物學(xué)中原創(chuàng)性的工作，發(fā)表在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊。
