近日，beat365IDG麥戈文腦科學研究所、beat365、北大-清華生命科學聯合中心、海南大學生物醫學工程學院王征實驗室，在《Nature Communications》在線發表題為“Brain-wide and cell-specific transcriptomic insights into MRI-derived cortical morphology in macaque monkeys”的研究論文，報道了完整地覆蓋食蟹猴全腦各個分區的轉錄組圖譜，并以此結合猕猴磁共振腦影像大數據，開展猕猴大腦皮層解剖結構特征的基因表達分析，鑒定了1005個與大腦皮層厚度緊密相關的基因集，進而使用猕猴視皮層的單細胞測序數據注釋了相應的細胞亞型和功能通路。
近年來随着基因組學測序技術的突飛猛進，影像遺傳學（imaging genetics）、影像基因組學（imaging genomics）乃至影像轉錄組學（imaging transcriptomics）又重新點燃了研究者的興趣，其中最具影響力的工作是美國艾倫腦科學研究所發布的一個融合大腦基因表達的多模态人腦圖譜--Allen Human Brain Atlas (Hawrylycz et al., 2012)。但是，備受矚目的非人靈長類模式動物迄今都缺乏與人類腦圖譜相對應的數據，成為了掣肘領域發展的瓶頸。王征實驗室前期收集了162隻食蟹猴的高分辨磁共振影像數據并構建了全腦分區解剖圖譜--Cyno162(Lv et al., 2021)。根據此圖譜，研究團隊在9隻食蟹猴上收集了來自全腦110個腦區的近900個樣本進行深度測序（～15G），構建了完整的全腦分區轉錄組圖譜（圖1）。
圖1 構建覆蓋猕猴全腦的精細分區轉錄組圖譜
擁有這個詳盡的猕猴全腦基因表達數據圖譜，研究人員可自由選取任意感興趣的基因查看其在全腦的表達水平，如血清素相關的基因HTR1B、HTR2C等（圖2）。
圖2 血清素相關基因在皮層和皮層下腦區的表達情況
随後，研究團隊系統分析了猕猴全腦各分區的差異表達基因（differential expression gene，DEG）和差異外顯子使用（differential exon usage，DEU）基因模式，發現了皮層下核團與皮層差異顯著，這與人類大腦上的發現相似。在靈長類研究中，參與高級認知功能且高度分化的額葉腦區的基因表達一直是研究熱點，但苦于缺少高密度采樣的測序數據而進展緩慢。通過全腦的加權基因共表達網絡分析和模塊分析，我們在額葉區域内發現了從背外側到腹内側的基因表達梯度模式，在背側表達較多的基因集中還包含了多個髓鞘化相關的基因（CNP, FA2H, PLP1, MYRF, UGT8, MAG, MBP等）。令人驚訝的是在全腦皮層内，位于枕葉的初級視覺皮層（而不是前額葉皮層）與其它腦區相比表達差異最大，這也驅使我們在初級視覺皮層展開了單細胞水平的轉錄組測序。
研究團隊進一步整合猕猴轉錄組學和磁共振腦影像大數據，開展影像轉錄組學研究：在全腦範圍探索基因表達與影像表型之間的關聯（圖3）。此前來自多個大規模人類大腦影像數據集的全基因組關聯荟萃分析已經發現，不同基因在全腦協同調控決定了大腦皮層區域的發育成熟，比如皮層厚度和表面積等。我們的實驗結果鑒定了一組與猕猴皮層厚度表達關聯的基因，其中971個蛋白編碼基因，34個非編碼基因。根據我們采集的視皮層單細胞測序數據進行的細胞類型分析，結果顯示這1005個基因顯著富集于神經元和少突膠質細胞。
值得強調的是，王征實驗室這項曆時數年的工作不僅為非人靈長類腦科學研究提供了獨特的資源，更為未來靈長類疾病模型研究提供了重要依據(Cai et al., 2020; Qin et al., 2021)，比如對特定腦區進行病毒介導的基因操作(Yan et al., 2022)或光遺傳調控等。後續将猴腦轉錄組學圖譜與人腦轉錄組圖譜數據相結合，可望開啟跨物種進化奧秘的探索，這與基于磁共振影像學的環路比較相輔相成(Zhan et al., 2021)，為解析人類大腦結構和功能遺傳基礎開辟了新的道路。
圖3 猕猴全腦影像轉錄組學聯合分析與皮層厚度相關的基因集
上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院腦病中心薄婷婷博士（從王征實驗室畢業）和中國科學院上海營養與健康研究所李傑博士為該文共同第一作者，北京化工大學生命科學與技術學院秦蒙副教授，哈爾濱工程大學智能科學與工程學院姚曉輝副教授及實驗室多位成員參與完成此項目，王征研究員與中國科學院王光中研究員、河南省人民醫院放射科王梅雲主任共同為本文的通訊作者。本課題得到了科技部科技創新2030-“腦科學與類腦研究”，國家自然科學基金委，中國科學院，上海市，廣東省及北大-清華生命科學聯合中心的資助。本項目的轉錄組數據可自由共享給感興趣的同行研究者。
原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37246-w
參考文獻：
Cai, D.C., et al. (2020). MECP2 Duplication Causes Aberrant GABA Pathways, Circuits and Behaviors in Transgenic Monkeys: Neural Mappings to Patients with Autism. J Neurosci 40, 3799-3814.
Hawrylycz, M.J., et al. (2012). An anatomically comprehensive atlas of the adult human brain transcriptome. Nature 489, 391-399.
Lv, Q.M, et al. (2021). Normative Analysis of Individual Brain Differences Based on a Population MRI-Based Atlas of Cynomolgus Macaques. Cerebral Cortex 31, 341-355.
Qin, D.D., et al. (2021). Depletion of giant ANK2 in monkeys causes drastic brain volume loss. Cell Discov 7, 113.
Yan, M.C., et al. (2022). Mapping brain-wide excitatory projectome of primate prefrontal cortex at submicron resolution and comparison with diffusion tractography. eLife 11: e72534.
Zhan, Y.F., et al. (2021). Diagnostic Classification for Human Autism and Obsessive-Compulsive Disorder Based on Machine Learning From a Primate Genetic Model. Am J Psychiatry 178, 65-76.
2023-03-20