哺乳动物的下丘脑由多种结构及功能复杂的细胞核团构成。作为中枢神经系统最为复杂的脑区之一，下丘脑神经元高度多样性，通过调控自主神经、内分泌和行为控制哺乳动物的内稳态。过去对下丘脑的研究主要集中于神经元环路和功能，然而我们对下丘脑发育过程中复杂的谱系命运变化关系，以及神经元多样性产生的分子调控机制所知甚少。

首先，研究人员巧妙利用Rax-CreERT2::Ai14工具鼠，对胚胎期和出生后早期的下丘脑细胞进行谱系示踪和流式分选，然后进行单细胞RNA测序和数据分析，共鉴定出8个主要细胞类型：放射状胶质细胞（RGCs），中间前体细胞（IPCs），谷氨酸能神经元（GLU），γ-氨基丁酸能神经元（GABA），星形胶质细胞（AS），少突胶质前体细胞（OPC），少突胶质细胞（OD）以及室管膜细胞（EC）。

图1. 发育中的小鼠下丘脑及单细胞图谱。

其次，放射性胶质细胞（RGCs）是位于神经发生谱系前端的细胞。研究人员对这些细胞的分析表明：即使是在发育早期，RGCs细胞内部也出现了明显的异质性，根据所处细胞周期状态和表达谱的不同可划分为不同的前体细胞亚型，它们在分化前也展现出明显的预启动（priming）信号。

图2. 下丘脑RGCs的内部异质性和发育动态。

第三，研究人员对早期的神经元发育谱系进行分析后发现，下丘脑RGCs产生了两群中间神前期细胞（IPC）谱系，并将其定义为Ascl1⁺和Neurog2⁺的下丘脑IPCs（HIPCs），暗示下丘脑神经祖细胞通过产生两种类型的HIPCs，从而驱动神经元的大量出生。对两群Ascl1⁺和Neurog2⁺HIPC细胞进行功能富集分析，免疫染色和群体谱系追踪后发现，Ascl1⁺和Neurog2⁺的HIPC 展现出不同的分子信号，空间分布和发育潜能。其中一个十分有趣的发现是，区别于端脑，Ascl1⁺HIPCs在下丘脑中能同时产生抑制性神经元和兴奋性神经元，而Neurog2⁺HIPCs则主要产生兴奋性神经元。

图3. 下丘脑IPCs的分子特征，空间分布和分化潜能。

接着，该研究识别出29类由独特的转录因子，神经递质和神经肽组合编码的神经元亚型，并解析了这些神经元亚群的空间定位，发育成熟度和命运决定子调控网络，从而提供了一个发育中的下丘脑神经元图谱。

图4. 下丘脑神经元的亚型分类，空间定位和成熟状态。

此外，该研究还发现新生的神经元能够进一步分化为多样化的肽能神经元，并找到三组“一生一”、“一生二”和“一生三”的肽能神经元的发育模式。这进一步表明，下丘脑中完成有丝分裂后的神经元群体，在从不成熟状态向成熟状态的发育转换过程中，逐渐贡献出了更复杂的神经元多样性。

图5. 下丘脑新生神经元的三种代表性分化模式。

最后，研究人员通过单克隆追踪系统及三维重构技术解析了小鼠下丘脑中单个Rax⁺RGC的谱系发育情况，并对子代细胞的克隆组成和空间分布进行了确认和分析。免疫染色结果进一步表明，多个神经元亚型在单细胞水平上确实拥有共同的起源，从而揭示了下丘脑发育过程中单个RGC细胞产生的神经元多样性。

图6. MADM系统追踪下丘脑单个RGC的增殖潜能。

此项研究提供了单细胞水平的下丘脑发育网络，表明发育谱系树上的多个细胞类型逐级推进和放大，产生了命运多样化的神经元亚型。此外，该研究还解析了下丘脑伸展细胞的胚胎起源和调控神经元亚型的命运决定子，这将有助于理解下丘脑的动态发育过程及高度多样化的神经元的命运决定，为厌食、嗜睡、失眠等神经系统疾病的诊断、治疗和预防提供重要的理论科学依据。

中科院遗传发育所吴青峰研究员为本文通讯作者，吴青峰研究组博士生张宇虹、许鸣锐、石翔、硕士生孙雪莲以及博士后穆文辉为共同第一作者。山西大学姚明泽教授、复旦大学何苗教授等参与了该项研究。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.03.020

附注：吴青峰课题组主要从事神经发育和神经调控代谢的研究工作，相关研究在Cell、Cell Stem Cell、Nat Commun、Cell Reports和PLoS Bio等期刊上发表。课题组现公开招聘从事发育生物学、神经生物学和生物信息学等领域的博士后研究人员1-2名，工资待遇和福利具有竞争性，有意者可将个人简历以及相关证明材料发送至wu_qingfeng@genetics.ac.cn