(作者：朱漢斌，胡冰鑫  來源：中國科學(xué)報(bào))

　　7月18日，《發(fā)育細(xì)胞》（Developmental Cell）在線發(fā)表了中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所研究員方燕姍團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院研究員彭廣敦團(tuán)隊(duì)和暨南大學(xué)副研究員李昂團(tuán)隊(duì)合作最新成果。他們成功繪制出脊髓損傷后原位基因表達(dá)和細(xì)胞互作的時(shí)空動(dòng)態(tài)圖譜，為脊髓損傷的治療提供了新視角和新策略。

　　論文共同通訊作者方燕姍表示，研究團(tuán)隊(duì)通過刻畫脊髓損傷后基因表達(dá)和分子變化的時(shí)空特征，以及繪制原位細(xì)胞互作網(wǎng)絡(luò)圖譜識(shí)別出一類發(fā)生特定位置遷移的星形膠質(zhì)細(xì)胞亞群，并鑒定出該亞群的特征基因Insulin-like growth factor binding protein 2（Igfbp2），進(jìn)而揭示了Igfbp2表達(dá)上調(diào)在脊髓損傷過程中的細(xì)胞功能和潛在生物學(xué)意義。

　　脊髓損傷時(shí)空動(dòng)態(tài)圖譜繪制成功

　　成年哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)的再生能力非常有限，其損傷所造成的傷害大多不可逆、難以恢復(fù)。以脊髓損傷為例，脊髓損傷后可出現(xiàn)軸突退化、神經(jīng)元丟失、脫髓鞘、炎癥反應(yīng)、巨噬細(xì)胞和免疫細(xì)胞浸潤、膠質(zhì)瘢痕生成等改變，從而導(dǎo)致永久性的運(yùn)動(dòng)、感覺和自主神經(jīng)功能障礙，并伴有各種局部或全身并發(fā)癥。

　　盡管脊髓損傷的慢性期可持續(xù)數(shù)月至數(shù)年，但基因表達(dá)水平和分子編程中最主要、最劇烈、最紛繁蕪雜的改變則發(fā)生在損傷后的數(shù)小時(shí)至數(shù)天內(nèi)。此外，基因表達(dá)和細(xì)胞響應(yīng)的空間動(dòng)態(tài)變化在該時(shí)期也是最明顯的。

　　“全面系統(tǒng)地在時(shí)間和空間維度下解析脊髓損傷急性期所發(fā)生的基因表達(dá)改變、分子調(diào)控程序和細(xì)胞響應(yīng)機(jī)制對(duì)于理解脊髓損傷的病理過程和制定有效治療方案至關(guān)重要?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院彭廣敦研究員表示。

　　據(jù)介紹，以往對(duì)脊髓損傷分子表達(dá)圖譜的研究主要依賴單細(xì)胞測序，但該技術(shù)缺乏空間位置信息和對(duì)應(yīng)的解剖學(xué)注釋，并且由于單細(xì)胞分離方法的局限使得某些細(xì)胞類別比如神經(jīng)元、星型膠質(zhì)細(xì)胞等的捕獲比例遠(yuǎn)低于其生理狀態(tài)下的占比，導(dǎo)致最終測序數(shù)據(jù)和以此進(jìn)行的分析帶有很強(qiáng)的“生存者偏差”。

　　近幾年，空間組學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展為彌補(bǔ)這些缺陷帶來了希望。因此研究團(tuán)隊(duì)以小鼠脊髓全橫斷模型為例，在脊髓損傷后的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)、距離損傷位點(diǎn)頭尾兩端的多個(gè)不同位置、對(duì)多個(gè)生物學(xué)重復(fù)的脊髓組織進(jìn)行了基于10xVisium的原位空間轉(zhuǎn)錄組測序。

　　該研究通過對(duì)過濾后保留下來的超過22,800個(gè)空間位置點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行生物信息學(xué)整合分析，在組織結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破損的情況下，通過空間分布和基因表達(dá)相似性仍然能夠準(zhǔn)確定義出脊髓的解剖結(jié)構(gòu)。

　　該研究系統(tǒng)性地揭示了損傷后不同脊髓解剖區(qū)域、不同損傷時(shí)間以及損傷位點(diǎn)不同方向和距離處的基因表達(dá)動(dòng)態(tài)變化、共表達(dá)基因模塊以及轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

　　更具創(chuàng)新意義的是，研究團(tuán)隊(duì)通過自主開發(fā)空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析的新計(jì)算策略和工具，繪制出的脊髓損傷后原位細(xì)胞-細(xì)胞交互的動(dòng)態(tài)圖譜，相比于傳統(tǒng)僅僅基于單細(xì)胞基因表達(dá)進(jìn)行細(xì)胞互作分析，整合細(xì)胞在空間上的臨近關(guān)系，降低了最終結(jié)果的假陽性率。

　　建立脊髓損傷交互式時(shí)空數(shù)據(jù)庫

　　在該研究中，研究人員通過細(xì)胞互作網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)了一類在脊髓損傷后從脊髓白質(zhì)遷移到脊髓灰質(zhì)的星型膠質(zhì)細(xì)胞亞群。接著通過脊髓實(shí)質(zhì)注射和lineage tracing實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了脊髓損傷后這類由白質(zhì)向灰質(zhì)定向遷移的星型膠質(zhì)細(xì)胞亞群的存在及其細(xì)胞來源，該團(tuán)隊(duì)將其命名為“injury-induced，gray matter-relocated astrocytes（Astro-GMii）”。

　　他們通過整合空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和已有的脊髓損傷單細(xì)胞/單核測序數(shù)據(jù)對(duì)Astro-GMii細(xì)胞的分子特征進(jìn)行了多水平、多維度的分析，從中鑒定出可以標(biāo)記Astro-GMii并在脊髓損傷后特異性上調(diào)的特征基因之一Igfbp2。

　　值得一提的是，通過空間轉(zhuǎn)錄組識(shí)別出某種特定細(xì)胞亞型或亞群后，可以對(duì)其位置信息進(jìn)行分子特征提取，獲得“位置指紋”。用這些位置指紋可以對(duì)已發(fā)表的單細(xì)胞數(shù)據(jù)進(jìn)行空間特征注釋和虛擬細(xì)胞分選。

　　例如，利用Astro-GMii的位置指紋對(duì)第三方發(fā)表的脊髓損傷單細(xì)胞數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和分析，研究人員也鑒別到Astro-GMii亞群并利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析了該亞群的分子演化過程，充分體現(xiàn)了空間位置特征這一維度對(duì)發(fā)掘細(xì)胞功能異質(zhì)性的重要作用。

　　研究人員通過原代星型膠質(zhì)細(xì)胞培養(yǎng)、原代神經(jīng)元培養(yǎng)以及conditioned medium共培養(yǎng)等實(shí)驗(yàn)，他們揭示了高表達(dá)Igfbp2不僅可以促進(jìn)星型膠質(zhì)細(xì)胞的遷移、增殖和反應(yīng)性，并且星型膠質(zhì)細(xì)胞可以分泌Igfbp2蛋白，后者作用在神經(jīng)元上可以促進(jìn)神經(jīng)軸突的生長。

　　最后，研究人員將Igfbp2蛋白和基質(zhì)膠制備成生物材料注射進(jìn)小鼠的脊髓損傷部位后，損傷位點(diǎn)附近感覺和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的存活都得到了顯著提高，并最終有效促進(jìn)了脊髓損傷小鼠的感覺和運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。

　　“我們通過全面深入的空間轉(zhuǎn)錄組分析建立了脊髓損傷交互式時(shí)空數(shù)據(jù)庫（https://spasi.ccla.ac.cn/），并完成了大量體內(nèi)和體外的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)以及功能研究?！迸韽V敦表示。

　　該工作不僅為理解受損脊髓的時(shí)空重組提供了豐富的分子信息和有用的數(shù)據(jù)分析工具，而且鑒定出具有脊髓損傷治療潛力的新靶點(diǎn)Igfbp2蛋白，為未來推進(jìn)相關(guān)轉(zhuǎn)化研究和進(jìn)一步的機(jī)制探索奠定了基礎(chǔ)。