解剖控制人类皮层细胞命运的基因调控网络

脑干细胞如何决定自身命运

在我们出生之前，大脑由一小群类干细胞构建，这些细胞必须决定是继续分裂还是分化为多种神经元或支持细胞之一。DNA 中的微小开关，称为基因调控因子，引导这些选择。本研究以异常精细的方式展示了数十个此类开关如何协同作用来塑造正在发育的人类皮层——这一支持思维、感知和记忆的大脑区域——以及这些调控出错如何可能促成精神和发育性疾病。

窥见体外生长的人类皮层

作者们建立了一个在体外高度模拟人类皮层胚胎期发育的实验体系。他们以放射状胶质细胞为起点——这些是妊娠中期位于脑室表面的主要干细胞并能产生大多数其他皮层细胞。通过短暂用生长因子处理人类胎儿组织，他们富集了这些干细胞，然后撤去因子使细胞自然开始分化。一周内，培养物产生了产前皮层中的主要细胞类型：发送信号的兴奋性神经元、调节活动的抑制性中间神经元以及支持并绝缘神经元的胶质细胞。与现有大脑图谱的详细比对显示，体外培养的细胞在很大程度上类似于体内对应细胞，并且比许多类器官模型中的细胞表现出更少的应激反应。

逐个基因、逐个细胞地关闭开关

为了解特定基因如何控制这一发育过程，研究组采用了一种强大的筛选方法，称为 Perturb‑seq。他们使用了一种 CRISPR 干扰系统，可以可靠地抑制而非切割目标基因，避免有毒的 DNA 损伤。在十多万单细胞中，他们选择性地抑制了 44 个转录因子——这些基因作为许多其他基因的主控开关——随后测量每个细胞的全部活跃基因表达。这使他们能够将每个开关的丧失与基因活性变化以及培养物中出现的细胞类型转变联系起来。

平衡发育中皮层的细胞类型与时序

几种被靶向的开关产生了显著影响。降低 NR2E1 的表达促使放射胶质细胞更早停止分裂，并生成更多的抑制性神经元以及随后更多的少突胶质细胞，表明该因子通常会减缓发育时钟。相反，降低 ARX 则产生相反效果：它偏向产生兴奋性神经元而非抑制性神经元，并使谱系保持在更不成熟的状态。另一因子 ZNF219——此前未被认为在皮层发挥作用——被发现抑制神经分化；当其被压低时，兴奋性和抑制性神经元的生成都增加，但偏向兴奋性细胞。通过将基因干扰与永久标记单个干细胞所有后代的 DNA 条形码相结合，研究者展示了这些开关如何改变单个放射胶质克隆的“命运偏好”，改变每个克隆对不同谱系的贡献量以及贡献的发育阶段。

与脑疾病相关的共同下游基因

当团队比较不同干扰所引起的基因表达变化时，他们注意到大约四分之一的受影响基因同时被多个转录因子所影响。许多这些共同靶基因参与幼龄神经元的连接、迁移和成熟。重要的是，这些趋同基因与先前与精神分裂症和重度抑郁等疾病相关的基因集有显著重叠。例如，PTPRD 和 IL1RAPL1 等基因，在人类和小鼠研究中已知影响神经发生和行为，它们位于若干调控回路的交汇处。这表明早期发育中不同的遗传打击可以汇入共同的下游通路，从而影响大脑连线与疾病风险。

在细胞诞生后维护神经元身份

除了决定干细胞将产生“哪种”细胞外，一些开关还保护该细胞将成为“哪一亚型”。在抑制性神经元中，丧失 ARX 产生了一类不寻常的亚群，其由基因 LMO1 标记，并伴有通常引导细胞迁移和突触形成的信号通路改变；类似的异位细胞在人体组织切片和恒河猴细胞中均有出现。通过双重干扰策略，作者们显示同时抑制 ARX 和 LMO1 部分消除了这种异常状态，表明 ARX 部分通过抑制 LMO1 来维持正确的中间神经元身份。值得注意的是，许多效应最强的转录因子——包括 ARX、NR2E1、SOX2、CTCF、NEUROD2、PHF21A 和 ZNF219——已被牵涉到神经发育和精神疾病，将他们的单细胞发现与临床遗传学联系起来。

这些发现为何有助于理解人类大脑

综上，这项工作提供了一张蓝图，展示了人类放射状胶质细胞中一组基因开关网络如何协同编排细胞类型的组成和皮层发育的节律，以及该网络中的错误如何误导神经元身份。通过使用忠实的原代细胞体系、单细胞读出和谱系追踪，作者提供了一个用于在人体和灵长类动物大脑发育中进一步探查基因与通路的灵活框架。对非专业读者而言，关键结论是：许多不同的遗传变化可以汇聚到共同的发育程序上，这些程序塑造了大脑的构建方式——当这些程序受到干扰时，其后果可能在以后的认知和精神健康方面产生回响。

引用: Ding, J.W., Kim, C.N., Ostrowski, M.S. et al. Dissecting gene regulatory networks governing human cortical cell fate. Nature 651, 732–742 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09997-7

关键词: 皮层发育, 放射胶质细胞, 单细胞 CRISPR, 神经发生, 神经精神疾病