(作者：朱漢斌，胡冰鑫  來源：中國科學(xué)報)

　　7月18日，《發(fā)育細胞》（Developmental Cell）在線發(fā)表了中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所研究員方燕姍團隊、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隊和暨南大學(xué)副研究員李昂團隊合作最新成果。他們成功繪制出脊髓損傷后原位基因表達和細胞互作的時空動態(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，研究團隊通過刻畫脊髓損傷后基因表達和分子變化的時空特征，以及繪制原位細胞互作網(wǎng)絡(luò)圖譜識別出一類發(fā)生特定位置遷移的星形膠質(zhì)細胞亞群，并鑒定出該亞群的特征基因Insulin-like growth factor binding protein 2（Igfbp2），進而揭示了Igfbp2表達上調(diào)在脊髓損傷過程中的細胞功能和潛在生物學(xué)意義。

　　脊髓損傷時空動態(tài)圖譜繪制成功

　　成年哺乳動物中樞神經(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)、巨噬細胞和免疫細胞浸潤、膠質(zhì)瘢痕生成等改變，從而導(dǎo)致永久性的運動、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)小時至數(shù)天內(nèi)。此外，基因表達和細胞響應(yīng)的空間動態(tài)變化在該時期也是最明顯的。

　　“全面系統(tǒng)地在時間和空間維度下解析脊髓損傷急性期所發(fā)生的基因表達改變、分子調(diào)控程序和細胞響應(yīng)機制對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。”論文共同通訊作者、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，以往對脊髓損傷分子表達圖譜的研究主要依賴單細胞測序，但該技術(shù)缺乏空間位置信息和對應(yīng)的解剖學(xué)注釋，并且由于單細胞分離方法的局限使得某些細胞類別比如神經(jīng)元、星型膠質(zhì)細胞等的捕獲比例遠低于其生理狀態(tài)下的占比，導(dǎo)致最終測序數(shù)據(jù)和以此進行的分析帶有很強的“生存者偏差”。

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

　　該研究通過對過濾后保留下來的超過22,800個空間位置點的數(shù)據(jù)進行生物信息學(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、不同損傷時間以及損傷位點不同方向和距離處的基因表達動態(tài)變化、共表達基因模塊以及轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

　　更具創(chuàng)新意義的是，研究團隊通過自主開發(fā)空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析的新計算策略和工具，繪制出的脊髓損傷后原位細胞-細胞交互的動態(tài)圖譜，相比于傳統(tǒng)僅僅基于單細胞基因表達進行細胞互作分析，整合細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空數(shù)據(jù)庫

　　在該研究中，研究人員通過細胞互作網(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)細胞亞群。接著通過脊髓實質(zhì)注射和lineage tracing實驗，證實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)細胞亞群的存在及其細胞來源，該團隊將其命名為“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胞/單核測序數(shù)據(jù)對Astro-GMii細胞的分子特征進行了多水平、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)錄組識別出某種特定細胞亞型或亞群后，可以對其位置信息進行分子特征提取，獲得“位置指紋”。用這些位置指紋可以對已發(fā)表的單細胞數(shù)據(jù)進行空間特征注釋和虛擬細胞分選。

　　例如，利用Astro-GMii的位置指紋對第三方發(fā)表的脊髓損傷單細胞數(shù)據(jù)進行比對和分析，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發(fā)掘細胞功能異質(zhì)性的重要作用。

　　研究人員通過原代星型膠質(zhì)細胞培養(yǎng)、原代神經(jīng)元培養(yǎng)以及conditioned medium共培養(yǎng)等實驗，他們揭示了高表達Igfbp2不僅可以促進星型膠質(zhì)細胞的遷移、增殖和反應(yīng)性，并且星型膠質(zhì)細胞可以分泌Igfbp2蛋白，后者作用在神經(jīng)元上可以促進神經(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小鼠的脊髓損傷部位后，損傷位點附近感覺和運動神經(jīng)元的存活都得到了顯著提高，并最終有效促進了脊髓損傷小鼠的感覺和運動功能的恢復(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)和體外的驗證實驗以及功能研究。”彭廣敦表示。

　　該工作不僅為理解受損脊髓的時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Igfbp2蛋白，為未來推進相關(guān)轉(zhuǎn)化研究和進一步的機制探索奠定了基礎(chǔ)。