文獻導讀

2021年5月6日，來自美國賓夕法尼亞大學的Guo-Li Ming教授及其團隊在《Cell Stem Cell》上發(fā)表了題為“Generation of hypothalamic arcuate organoids from human induced pluripotent stem cells”的文章。該文章建立了一種從人誘導的多能干細胞中生成下丘腦弓狀類器官的方法，該細胞表現(xiàn)出人弓狀核的神經(jīng)元亞型多樣性和分子特征，可用于Prader-Willi綜合征模型。

研究介紹

類器官是一種三維細胞培養(yǎng)物，用于再現(xiàn)復雜的體內(nèi)生理現(xiàn)象、模擬患者對藥物治療的反應(yīng)和對治療的耐藥性等。而由人誘導多能干細胞（iPSCs）產(chǎn)生的腦區(qū)域特異性類器官可以研究不同的人類大腦區(qū)域的發(fā)展和不同細胞類型的產(chǎn)生，包括新皮質(zhì)、中間神經(jīng)節(jié)隆起、中腦和丘腦，也可以模擬各種腦部疾病。但是，現(xiàn)有的技術(shù)不能呈現(xiàn)更精細的大腦結(jié)構(gòu)。在下丘腦中，弓狀核（ARC）是重要的組成部分，它可以整合饑餓和飽足的循環(huán)信號，反映能量存儲和營養(yǎng)可利用性。然而，現(xiàn)有的研究方法不能產(chǎn)生下丘腦核特異性類器官，并且對人類ARC發(fā)展知之甚少。而與ARC功能障礙相關(guān)的一種疾病Prader-Willi綜合征（PWS）嚴重影響著兒童的生長、社交和學習。因此，作者開發(fā)出一種從人iPSCs中產(chǎn)生的ARC-like類器官（ARCOs），它們來自兩個獨立的iPSC細胞系C3和C65。

為了系統(tǒng)地研究ARCO亞群的細胞類型多樣性和分子特征，作者分別在兩個發(fā)育時間點對C3和C65 iPSC細胞系的ARCOs進行了單細胞轉(zhuǎn)錄組分析。ARCOs的單細胞RNA測序顯示了不同弓狀細胞類型背后的顯著分子異質(zhì)性。之后，基于新生兒人類下丘腦單核轉(zhuǎn)錄組的機器學習輔助分析進一步顯示了人類弓狀核分子特征。這些數(shù)據(jù)表明，ARCOs呈現(xiàn)出和人ARC相似的細胞多樣性和分子特征。

為了研究早期神經(jīng)發(fā)育階段PWS患者的ARC中潛在的細胞和分子缺陷，作者從兩名有兩個不同易位斷點的PWS患者中生成了兩種iPSC系。一個位于15q11.2-q13號染色體Prader-Willi SNRPN位點外顯子2 ~ 3之間（主要缺失），另一個位于17 ~ 18號外顯子之間（次要缺失）。從兩個患者的iPSCs中產(chǎn)生的ARCOs相比對照組形態(tài)更大，PWS ARCOs表現(xiàn)出明顯的神經(jīng)增殖、分化缺陷以及功能性缺陷。

之后，作者將主要缺失和次要缺失的PWS iPSCs細胞系和對照組在成熟早期（20 DIV）和晚期（100 DIV）階段生成的ARCOs進行了RNA-Seq，以期能更詳細地比較對照轉(zhuǎn)錄變化。首先，不同細胞系的生物復制在兩個時間點上聚類，并且PWS ARCOs存在廣泛的轉(zhuǎn)錄失調(diào)。然后將主要缺失的PWS iPSCs組和對照組進行比較發(fā)現(xiàn)，參與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的許多基因的表達減少，還有突觸相關(guān)基因的下調(diào)。對下調(diào)基因進行GO分析顯示，與神經(jīng)元分化、軸突發(fā)育、突觸可塑性調(diào)節(jié)和離子轉(zhuǎn)運相關(guān)的基因富集。另一方面，與對照ARCOs相比，PWS iPSCs組RNA加工相關(guān)基因和代謝相關(guān)基因上調(diào)。總之，對上調(diào)基因的GO分析顯示，與翻譯起始、核糖體生物發(fā)生、肽生物合成過程和免疫反應(yīng)相關(guān)基因富集。對比主要缺失和次要缺失的ARCOs發(fā)現(xiàn)氧化還原過程相關(guān)基因調(diào)控異常。因此，ARCOs為研究早期人類弓狀核發(fā)育過程中核特異性特征和疾病相關(guān)機制提供了一個很有前途的實驗模型。

云克隆干細胞相關(guān)產(chǎn)品

干細胞（Stem cell）經(jīng)過分裂形成內(nèi)細胞群和滋養(yǎng)外胚層。在分裂過程中，細胞數(shù)量迅速增加，但其體積和所包含的物質(zhì)不增加。當細胞的卵裂分裂到8-16個卵裂球時，細胞間有一個不規(guī)則的腔隙。隨著卵裂球增多，腔隙增大，形成一個圓形空腔，漸漸形成囊胚，之后繼續(xù)發(fā)育分化成具有雙層或三層胚層結(jié)構(gòu)的原腸胚。一部分細胞通過不同的方式遷移到內(nèi)部，最終形成原始生殖細胞，內(nèi)胚層，中胚層和外胚層。原始生殖細胞可分化為雌性生殖干細胞，雄性生殖干細胞和畸胎；外胚層可分化為形成神經(jīng)系統(tǒng)，皮膚毛發(fā)和乳腺等等；中胚層可分化為肌肉、心臟、間葉細胞、血液、血管母細胞等；內(nèi)胚層可分化為腸、肝臟、肺、胰腺等。