DCC

文章解读+创新点拓展，为您带来科研新体验～ 导读 随着单细胞测序技术和类器官培养技术的发展，科学家们对复杂生物系统的理解达到了前所未有的深度。近期，由张旭、吴倩和王小群领导的研究团队在《Cell》上发表了一篇重磅论文《Decoding transcriptional identity in developing human sensory neurons and organoid modeling》，通过构建人类胚胎期背根神经节（DRG）的时空发育图谱，开发了模拟人类DRG发育的类器官系统，揭示了感觉神经元分化的路径和调控机制。这项研究不仅加深了我们对神经系统发育的认识，也为未来临床治疗开辟了新的途径。 研究背景 感觉神经元是传递触觉、温度、疼痛等感觉信号的重要媒介。了解这些神经元如何从干细胞中分化而来，对于探索神经系统疾病的发生机制及开发相应的治疗方法至关重要。然而，由于伦理和技术限制，直接研究人体内感觉神经元的发育过程一直是一个巨大的挑战。本研究利用单核RNA测序（snRNA-seq）和转录因子序列荧光原位杂交（TF-seqFISH）技术，成功绘制了覆盖妊娠早期至中期的人类DRG发育的高分辨率时空图谱，填补了这一领域的空白。 研究设计与结果 研究人员首先收集了来自不同发育阶段的人类胚胎样本，并使用先进的snRNA-seq技术对其进行了全面分析。通过对数万个单个细胞的数据进行处理，他们识别出了多种特定的感觉神经元亚型及其随时间变化的空间分布模式。此外，还建立了一个人工模拟环境下的DRG类器官系统，能够再现体内DRG的发育特征。通过这种方式，研究人员可以在实验室条件下详细观察和操控感觉神经元的分化过程。 为了验证所建立的DRG类器官系统的可靠性，研究者们实施了一系列实验，包括钙成像、基因敲减以及药物抑制实验等。结果显示，这种体外培养系统可以有效地模拟真实组织中的神经元发育情况，并且发现了关键转录因子MEIS2对于某些类型感觉神经元分化的重要性。这些发现进一步证明了DRG类器官作为一种强大的工具，在研究人类神经系统发育方面具有巨大潜力。 图1：人类胚胎DRG的细胞异质性和空间分布 研究人员对妊娠周数（GW）为7-21的DRG样品进行了snRNA测序，观察到相应妊娠阶段样品之间明显的发育连续性和高转录相似性 （图1A）。并注释出19个主要细胞簇，这些细胞簇包括来自神经和胶质谱系的前体细胞及其衍生细胞。通过整合TF-seqFISH转录因子与snRNA-seq数据，研究人员分别绘制了GW8、GW10和GW18的全面DRG时空图谱，揭示了在人类DRG发育过程中细胞分化动态变化及空间特征的变化（图1B）。 通过定量分析人类胚胎DRG中主要细胞类型在妊娠阶段的变化，观察到两个明显的神经发生波。第一个波从GW7之前开始，在GW8结束，主要产生本体感受器和机械感受器；第二个波从GW7到GW12，主要产生伤害性感受器和C类低阈值机械敏感受体 (C-LTMR) 。同时，胶质细胞分化也分为两期进行，施旺细胞（SC） 和卫星胶质细胞（SGC）分别在GW12-GW15、GW17-GW21 进行分化 （图1C、1D）。值得注意的是，GW12 是一个关键的转折点，标志着神经嵴细胞（NCC）的命运从神经元向胶质细胞转变。 TF-seqFISH分析进一步揭示了不同细胞类型独特的时空分布：其中一簇未分化感觉神经元（uSN1）仅在GW8观察到，而另一簇未分化感觉神经元（uSN2）则在GW8和GW10均可见。与神经发生阶段（GW10）存在的少量胶质细胞相比，在GW18时，胶质细胞形成一个结构环包围着神经元，表明胶质增殖和分化进入后期阶段（图1E）。免疫荧光染色也验证了单细胞转录谱推断的发育轨迹，显示在GW7时，来源于uSN1的神经元（NTRK3+/RUNX3+/ISL1+，大直径神经元系）和来源于uSN2的神经元（NTRK1+/RUNX1+/ISL1+，小直径神经元系）的比例相当。 然而，到GW12时，uSN2衍生的神经元比例显著增加至76%，而uSN1衍生的神经元比例下降至8％。值得注意的是，在早期DRG发育过程中，NTRK2+机械感受器（一种uSN1衍生细胞类型）的比例始终保持较低水平（图1F-1I）。 为了准确量化SGC，研究人员对SGC-神经元单元进行了计数，反映了卫星胶质生成的动力学过程。在GW12时，有15.4% 的神经元被SGCs包围，这一比例在GW15时上升至40.9%。SC首次出现在GW17，并随后逐渐增多（图1J、1K ）。 综上所述，这些发现揭示了人类胚胎期早期和中期DRG中细胞特化严格的时间顺序以及不同类型细胞复杂的结构特征。 图2：信号通路和基因调控网络确保了ncc的多种命运分化潜能 对NCC衍生细胞分化轨迹分析发现，NCC衍生细胞可以分为感觉神经元前体细胞（SNP）和SC前体细胞（SCP）子类群。SNP进一步分化为uSN1和uSN2亚型，而SCP则进展到分化成SGC和SC（图2A）。 研究者将轨迹变量基因分为九个模块，进一步根据不同的表达趋势进行分组：持续下调、上调后下调、下调后上调和持续上调 （图2B）。这些基因模块在不同发育阶段的细胞中富集，调控人类DRG发育过程。 进一步发现了在细胞类型特异性中的各种转录因子的作用（图2C、2D）。通过进行信号通路富集分析发现 WNT 、MAPK 信号通路在 NCC 中高度富集，RA 信号通路在 NCC、SNP 和 uSN1 中富集。此外，BDNF 和 NT-3 信号通路在 uSN1 中富集，NGF 信号通路在 uSN2 中富集（图2E）。除了神经发生分支中 RUNX1/3 的特异表达外，还发现 MEIS2 和 SKOR2 是第一波神经发生的必要条件，该波主要产生大量感觉神经元，而 FOXO1 在第二波中起主导作用，主要是产生小的感觉神经元（图2F、2G）。 这一发现得到了GW7 DRG组织免疫荧光染色结果的支持，结果显示 NTRK2/3 与 MEIS2 具有显著共表达（94.6%），以及 NTRK2/RUNX3与SKOR2 之间具有显著共表达（84.8％）（图2H，2I）。同样地，NTRK1 / RUNX1与FOXO1的共表达（33.2％）强调了FOXO1作为第二波神经发生的关键调节因子的可能性（图2J）。 此外，TF-seqFISH数据证实了这些发现，并揭示了一致的RNA共表达模式，强调了uSN1中的MEIS2、SKOR2 和RUNX3以及uSN2 中的FOXO1和RUNX1 的共同表达（图2K，2L）。 图3：第一波感觉神经发生波的发育过程 第一波神经发育过程中uSN1分化为本体感受器和机械感受器（图3A、3B）。分析发现，从uSN1到本体感受器过渡期间上调的基因与神经肌肉接头有关，参与的转录因子有MEF2A 和SMAD9；机械感受器细胞中上调的基因与分化相关，参与的转录因子有DRGX 和SHOX2（图3C、3D）。差异性表达分析发现功能基因PIEZO2 主要在机械感受器中表达，ASIC1 和ASIC2 在本体感受器中表达（图3E），表明 ASIC 阳离子通道在增强本体感受器的机械敏感性方面发挥着重要作用。 研究者进一步探索了潜在的分子调节因子，将三种本体感受器亚型划分为：未特化的本体感受器P-1（NTRK3 和RUNX3）、腹侧远端本体感受器P-2 （CRTAC1、TCERG1L 和PCDH17）以及背侧远端本体感受器P-3 (CDH13、ETV1、TACR3 和ITGA2）（图3F、3G），表明本体感受器神经元的早期身份确定过程受肢体间充质信号的影响。 对于机械感受器，研究人员识别出几种不同的亚型：未特化的机械感受器（NTRK3、NTRK2 和SHOX2），Aβ纤维快适应低阈值机械感受器（Aβ RA LTMR；RET，GFRA2，MAFA和NTRK2-low），Aβ纤维慢适应低阈值机械感受器（Aβ SA LTMRs；NTRK3 和NTRK2-high） ，以及Aδ LTMR（NTRK2 和RET）（图3H、3I）。asmFISH证实了这些特殊本体感觉受和机械感受器亚型在GW18的存在及其定位（图3J）。 研究者进一步使用URD和SCENIC分析来确定分化轨迹的调节基因，发现ETV1+、NPAS2+和MEF2C+在背侧远端本体感受器中占主导地位，并且NFIA和PKNOX2在腹侧远端本体感受器表达显著（图3K）。这些发现表明，在不同的外源信号和转录因子组合在非常早的阶段就开始影响本体感受器的细胞身份和功能发育。此外，研究人员还还识别出不同机械感受器亚型富集的调控子（图3L）。 这些结果突出了TF在塑造机械感受器功能多样性的关键作用，以及皮肤类型依赖性机械感受器发育特征的作用。 图4：第二感觉神经发生波的触觉感受器多样性和分子逻辑 第二波神经发生启动了C-LTMR和伤害感受器的发育（图4A）。将uSN2衍生的神经元分为13个亚型，包括12种伤害感受器亚型和C-LTMR，每个亚型都由独特的离子通道、受体和已知的伤害感受器特异性标记物定义（图4B、4C左）。某些伤害感受器亚型表达多种感觉受体（图4C右），比如N11和N12都是NTRK3+伤害感受器，它们表达CHRNA7、GRM8、SCN1A、HRH1和TRPV1受体，表明其在多模式疼痛过程中的作用（图4B、4C）。asmFISH证实了这种表达模式，证明了这些不同类型的伤害感受器在发育过程中存在（图4D）。 在确定了伤害感受器细胞类型后，分化轨迹分析（图4E、4F）显示uSN2s中的一个分支被分为不同的亚群，这些亚群与伤害感受器亚型相关联。每个分支具有独特的调节子谱系特征。利用TF-seqFISH数据确认了相应伤害感受器亚型中RUNX1与这些特异性转录因子的表达类型，共同调节亚型多样性（图4G）。 由于在URD树中观察到uSN2的早期分离后，研究人员对uSN2进行了无监督聚类，产生了8个异质性亚组（uSN2-1到uSN2-8），每个亚组都显示出与特定的神经元亚型的强关联（图4H）。这些发现表明，从uSN2亚型衍生出的感觉神经元的命运限制可能发生在早期、未特化的阶段。 图5：非神经元细胞发育中的转录程序 在NCC分化为胶质细胞的过程中，出现了一种中间状态的SCP，能够同时向SC和SGC分化（图2A）。研究者使用树状图来追踪从SCP（CDH19+/CDH6+）到成熟SGC（APOE+）和SC（PMP22+）的胶质细胞谱系轨迹（图5A）。分析关键转录因子和基因的时空表达模式揭示了与SGC相关的基因比与SC相关的基因更早被上调，也表明SGC分化先于SC形成（图1C、1D及5B）。GO富集分析显示，在主要表达于SGC和SC中的基因参与了细胞迁移和神经功能成熟等过程（图5B）。 为了进一步阐明感觉神经元和胶质细胞之间的细胞相互作用，使用了CellChat分析，并将配体受体（LR）对分为14种不同的模块（LR1-LR14），以揭示不同细胞类型之间通信的特定LR信号通路（图5C）。神经-胶质单元的形成由外源性基质分子和特异性细胞表面受体介导，如纤连蛋白、胶原蛋白以及 Semaphorin家族超家族成员（图5D）。 值得注意的是，在各种感觉神经元亚型中识别出独特的LR对。例如，LR9 特征是LRRC4C与NTNG1的相互作用，分别富集在SGC和机械感受器中。此外，SGC表达SLIT2/3，它们专一地结合到痛觉感受器中的ROBO2（LR10），而SGC中表达的SEMA4B可以特异地结合到本体感受器中的DCBLD2（LR11）（图5E）。这些细胞类型的特殊胶质-神经元相互作用通过单细胞空间转录组数据进一步得到证实，表明周围 SGC在促进神经元特异功能方面可能发挥专门的作用（图5F）。 巨噬细胞对于免疫相关病理条件下疼痛感受器的激活起着关键作用，这些巨噬细胞表达ITGAM、CSF1R、PTPRC、MRC1和MERTK的细胞（图5G）。免疫染色显示，在DRG中巨噬细胞招募始于GW10，与第二波神经发生结束的时间一致，表明巨噬细胞可能参与并影响神经发育过（图5H）。巨噬细胞（P2RY12+）和神经元（ISL1+）的比例随着时间推移而增加（图5H、5I）。 为了阐明巨噬细胞和感觉神经元之间建立功能单元的分子相互作用，使用CellChat分析LR相互作用。GO富集分析帮助显示semaphorin-plexin和整合素信号通路在巨噬细胞招募中十分重要。此外，APOE-SCARB1、PTPRC-MRC1和SYK-FCGR2A之间的相互作用可能是巨噬细胞-神经元单位的关键调节因子，提示它们在调控DRG发育中巨噬细胞功能方面的潜在作用（图5J、5K）。 图6：感觉神经元的进化保护和分化 基于先前的数据和研究者的研究分析发现，从妊娠7周到21周的人类胚胎DRG发育过程与小鼠胚胎期第12天（E12）到出生后第4天（P4）的DRG发育进程高度相似（图6 A、6B），但存在时间上的差异，进一步分析发现在人类DRG中，细胞分化从妊娠7周至12周明显减少；而小鼠细胞分化在E12.5达峰值并持续下降直至出生（图6 C）。TRPA1、TRPV1、SCN10A、SCN11A 和ANO5 等与疼痛相关的基因的表达水平上在人类中更高；相反，P2RX2 在小鼠中的表达水平高于人类。瘙痒感知相关的基因，HRH1，在人类神经元中相对高表达；此外，参与多模态伤害感受过程的MRGPR家族成员MRGPRD未在人类胚胎DRG中表达。阿片类药物受OPRM1 和OPRD1 的表达水平在人类中较高且范围较广。 此外，TH在小鼠部分感觉神经元中表达，但在发育期的人类DRG中低表达。人与小鼠DRG发育过程中关键基因表达启动时间也有显著差，特别是与瘙痒感知相关的IL31RA、CYSLTR2 和HRH1 基因，这些基因在人类DRG中早于小鼠DRG表达（图6F）。这些观察结果强调了人类和小鼠DRG中独特的基因表达谱，揭示了感觉系统进化适应的重要见解。 此外，人类N6痛觉神经元类似于小鼠TRPM8+ 冷热感受器，N10痛觉神经元类似于小鼠SST+ 神经元，而N11痛觉神经元类似于小鼠CGRP-θ神经元（图6G）。有趣的是，免疫染色结果显示，由RET+特征标记并伴有DCC、SCN1A、NTRK3 和GRM8 的N12，在基因表达模式上没有明显的差异（图6H、6I）。N12神经元表现出钙信号通路、吗啡和尼古丁上瘾、阿片肽信号通路以及apelin信号通路相关基因的高表达。这些途径中的几个靶点被用于治疗精神疾病和偏头痛（图6J、6K）。 总体而言，这些发现揭示了物种间显著差异的基因表达和感受器细胞类型，在感觉和疼痛过程中起着关键作用。 图7：hDRGO模拟了人类感觉神经元的发育特征 基于先前的研究和对人类脊神经节发育的外源信号和内在转录因子调节的理解，研究者建立了一个稳健的方法来生成准确再现人类感觉神经元发育过程和多样性的人类背根神经节类器官（hDRGO）模型（图7A）。免疫荧光染色显示了各种感觉神经元亚型的存在（PRPH+），包括本体感受器（NTRK3+）、机械感受器（NTRK2+）和痛觉受体（NTRK1+）（图7B）。 结合钙成像和免疫荧光染，证实了hDRGO中存在丰富的DCC+/NTRK3+/NTRK1+人伤害感受器神经元，这些伤害感受器通过响应辣椒素显示伤害特征，表明hDRGO有效地反映了人类伤害感受子亚型的多样性和特异性（图7J）。研究人员在第30天和第60天分别进行了hDRGO的snRNA-seq分析，其中包括NCC、SNP、uSN1、uSN2、本体感受器、机械感受器、伤害感受器、SCP、SGC、纤维母细胞和内皮细胞（图7C，7E-7G）。 在整个hDRGO培养过程中，祖细胞（NCC、SNP和SCP）连续分化并形成复杂的细胞类型（图7D）。hDRGO的细胞组成和转录组与胚胎早期至中期发育阶段（GW7-GW15）表现出相似性（图7H）。 使用慢病毒载体递送靶向MEIS2、SKOR2以及FOXO1的shRNA，以分别抑制hDRGO第一波和第二波神经发生（图2F、2G），结果表明，在FOXO1敲除的类器官中NTRK1+神经元减少，而在MEIS2和SKOR2敲除的类器官中NTRK2+和NTRK3+神经元减少（图7K-M）。这些发现进一步证明MEIS2、SKOR2 和FOXO1 在uSN1和uSN2 的细胞命运决定中起关键作用，也验证了hDRGO对人胚胎DRG发育过程的模拟。 拓展延伸 ● 疾病建模 1.癌症研究：通过从肿瘤患者的样本中生成类器官，研究人员能够模拟肿瘤微环境，探索癌细胞的行为和反应机制。例如，结直肠癌类器官被广泛用于研究癌变过程、转移机制以及寻找新的治疗靶点。 2.神经系统疾病：脑类器官（如“迷你大脑”）是研究神经发育障碍（如自闭症谱系障碍）、神经退行性疾病（如亨廷顿舞蹈症）的有力工具。这些模型可以帮助科学家理解疾病的分子基础，并测试潜在的治疗方法。 3.遗传病：对于一些罕见或复杂的遗传病，可以从患者来源的诱导多能干细胞（iPSC）培养出相应的类器官，以研究基因突变如何影响器官功能。 ● 药物筛选与毒性测试 1.药物发现：制药公司利用类器官进行高通量药物筛选，快速评估大量化合物对特定器官的影响。这种方法有助于早期识别有潜力的候选药物，从而加速新药研发进程。 2.个性化医疗：针对个体患者的类器官可以用来测试不同药物的效果，预测患者对特定治疗方案的响应，实现精准用药。 3.安全性评估：相比传统的二维细胞培养和动物实验，类器官提供了更为真实的体内条件模拟，因此更适合于评估药物的安全性和可能产生的不良反应。 ● 再生医学 1.组织修复：类器官技术有望推动再生医学领域的发展，特别是对于那些难以自我修复的组织，如肝脏、肾脏等。科学家们正在探索将类器官移植到患者体内以促进组织再生的可能性。 2.器官移植：长远来看，如果能够解决免疫排斥等问题，类器官甚至有可能成为人工制造完整器官的基础，解决器官短缺问题。 ● 基础生物学研究 1.器官发育：类器官为研究器官形成过程中涉及的关键步骤提供了前所未有的视角，包括细胞分化、形态发生及器官特异性结构的建立。 2.细胞间通讯：由于类器官保留了原始组织的复杂性，它们非常适合用于研究细胞间的信号传导网络及其在健康和疾病状态下的变化。 ● 毒理学研究 化学物质暴露：类器官可用于评估各种化学物质对人体各器官系统的潜在危害，帮助制定更科学的环境保护政策和产品安全标准。 临床应用与展望 本研究所取得的技术成果将有助于推动神经科学领域向前迈进一大步。首先，通过创建高度仿真的DRG类器官模型，科学家们可以在不依赖于动物实验的情况下，更准确地模拟人类神经系统疾病的状态，从而加速新药研发进程。其次，基于此平台开展的基因编辑或CRISPR筛选实验，可以帮助识别出与特定神经退行性疾病相关的致病基因，为个性化医疗提供理论支持。最后，考虑到DRG在慢性疼痛管理中的重要作用，这项研究有望带来全新的治疗策略，比如针对特定类型的痛觉感受器设计特异性药物靶点，实现更加精准有效的镇痛效果。 注：本文旨在介绍医学研究进展，不做治疗方案推荐。如有需要，请咨询专业临床医生。 参考文献 Lu T, Wang M, Zhou W, Ni Q, Yue Y, Wang W, Shi Y, Liu Z, Li C, Hong B, Zhou X, Zhong S, Wang K, Zeng B, Zhang J, Wang W, Zhang X, Wu Q, Wang X. Decoding transcriptional identity in developing human sensory neurons and organoid modeling. Cell. 2024 Nov 4:S0092-8674(24)01205-4.  点击下方「阅读原文」，前往梅斯官网查询更多相关课程和实验技术服务支持~

背根神经节（dorsal root ganglia，DRG）作为感觉神经元胞体的聚集地，承担着将感觉信号从外周传入中枢的重要功能。神经嵴细胞（neural crest cell,NCC）可以分化为DRG中的多种感觉神经元和神经胶质细胞，这一过程需要特异的信号分子和转录因子的精细调控。 目前，对DRG发育和细胞类型及功能的研究集中在小鼠模型上，然而，人类感觉神经元在亚型和功能基因表达上与小鼠存在一定的差异，因此对于人类DRG发育的特点和细胞命运决定的调控机制还有待于进一步研究。 此外，类器官培养近年来受到广泛关注，它可以通过体外对干细胞的培养和有序分化，实现与相应的器官类似的空间组织，并能够重现相应器官的部分功能，为研究人员提供了研究器官发育和疾病的有效平台。因此，通过深入解析人DRG发育的调控机制，并在体外建立DRG类器官模型将为人类感觉神经元发育和生理功能的探究提供理想工具。 2024年11月12日，中国科学院生物物理研究所新基石研究员王晓群课题组、广东省智能科学与技术研究院张旭院士课题组和北京师范大学吴倩课题组合作，在《Cell》杂志上发表了题为“Decoding Transcriptional Identity in Developing Human Sensory Neurons and Organoid Modeling”的研究论文。研究团队深入解析了人类背根神经节发育过程中调控多种感觉神经元分化的多层级信号通路，建立人类DRG类器官模型，并利用该模型对调控感觉神经元谱系发育的转录因子进行验证。此外，该研究还发现了一种人类特有的伤害感受器细胞亚型，并在人DRG类器官中复现了该类细胞的发育和功能。 图：人类背根神经节时空发育机制和类器官模型构建 为了构建人类DRG类器官模型，研究团队使用基于单分子成像的单细胞空间转录组技术TF-seqFISH（Transcription Factor sequential Fluorescence In Situ Hybridization）对妊娠早中期人类胚胎DRG发育进行全面解析。研究发现NCC经历两个神经发生的关键时间，并前后产生两种仍未特定分化的感觉神经元（unspecialized sensory neuron,uSN）,uSN1和uSN2,这些未特定分化的神经元未来会进一步受到转录因子的调控，分别分化为大直径的感觉细胞和小直径的感觉细胞，是感觉神经元多样性的基础。通过解析早期NCC谱系分化轨迹，研究人员深入阐明了参与uSN命运决定过程的外部信号通路和内部转录因子调控的联合机制。 基于以上多层级信号通路在DRG神经元命运决定中的重要作用，研究人员通过时序性的加入不同的信号因子，成功的构建了功能性背根神经节类器官（hDRGOs），在体外复现了多能干细胞-NCC-感觉神经祖细胞-感觉神经元的分化过程，其中包括人类背根神经节中主要三类感觉神经元。这些神经元从发育轨迹到基因表达，都与人DRG的发育非常相似。此外，这些感觉神经元呈现假单极形态，并对辣椒素的刺激有相应的生理响应，进一步证明该DRG类器官可以获得具有一定功能的感觉神经元。 通过物种间比较，研究人员发现人类和小鼠在感觉神经元的发育进程、基因表达谱和细胞亚型上均存在差异。研究发现一类在人类DRG中特异富集的伤害感受器亚型，以DCC/NTRK3/NTRK1基因的表达为特征，这一群体在发育和成年的人DRG中均特异性存在。此外，研究人员发现hDRGOs中也存在该类感觉神经元亚型，进一步联合钙成像，证明了这类感觉神经元可以被辣椒素特异激活，通过体外实验明确了这类细胞是伤害感受器的一种亚型。此外，研究人员还利用DRG类器官模型验证了多种转录因子在调控感觉神经元分化谱系中的重要作用，表明类器官在人类感觉神经元发育和功能研究中具有重要的价值。 总之，该研究基于对人类DRG发育过程的解析，成功建立了人类背根神经节类器官模型，在体外模拟感觉神经元多样性和功能建立过程，并应用类器官探究了人类感觉神经元发育调控和人性进化上的特征。该研究为人类胚胎背根神经节研究提供了重要的时空转录组数据，建立的人类背根神经节类器官模型对感觉神经元发育和相关疾病的研究具有重要的意义。 新基石研究员王晓群、北京师范大学吴倩教授和广东省智能科学与技术研究院张旭研究员为该论文的共同通讯作者。中国科学院生物物理研究所博士研究生卢甜和博士研究生王梦迪为该论文的共同第一作者。 文章链接： https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1016/j.cell.2024.10.023 原文链接： https://ibp.cas.cn/kyjz/zxdt/202411/t20241115_7440469.html 本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！

编辑丨王多鱼 排版丨水成文 题图为王晓群教授 人类如何感知外部世界是一个亘古不变的谜题。早在公元前5世纪，古希腊哲学家亚里士多德就提出感觉是人类认识外部世界的基础，并强调感觉与感知的关系，认为感知是对外界刺激的直接反应。进入17世纪，科学家们对感觉器官的结构与功能进行系统的研究。笛卡尔从生理学视角探讨了感觉和意识的关系。他认为皮肤与大脑之间存在神经连接，将外界刺激从皮肤传递到大脑，从而引发感觉体验。随后越来越多科学家投身感觉研究领域，极大地推动了神经生物学的发展。1944年，约瑟夫·厄尔兰格与赫伯特·加瑟因揭示对不同刺激做出反应的多种感觉纤维而获得诺贝尔生理学或医学奖。 随着研究的深入，科学家们发现感觉神经元不仅仅是简单的信号传递者。它们通过特定的受体和信号通路精确感知各种刺激，例如温度、压力和化学信号，进而调控我们对周围环境的反应。近年来，研究者们还探究了感觉神经元亚型以及它们在特定环境下的适应能力，进一步拓展了我们对感觉系统的理解。尤其是在痛觉、触觉和温度感知相关研究中，科学家们识别出多个特异性感觉神经元亚型，并揭示了它们在慢性疼痛和其他感觉障碍中的潜在作用。利用小鼠模型，科学家们初步揭开了感觉神经元多样性和命运调控的“黑匣子”。张旭院士团队，德克萨斯大学达拉斯分校西奥多·普莱斯等描述了人类和啮齿类动物在感觉功能基因表达上的不同，表明物种间对环境刺激的反应可能存在差异。因此，对人类感觉神经元特征、发育及其功能的研究，将帮助我们理解人类感知觉原理，并为精准治疗人类“痛”“痒”疾病提供新的机遇。 2024年11月12日，中国科学院生物物理研究所/北京师范大学王晓群教授、及北京师范大学吴倩教授、广东省智能科学与技术研究院张旭院士团队合作，在 Cell 期刊发表了题为：Decoding Transcriptional Identity in Developing Human Sensory Neurons and Organoid Modeling 的研究论文。 该研究深入解析了人类背根神经节（DRG）中感觉神经元的发育过程，通过模拟调控感觉神经元谱系分化的多层级信号通路，建立人类DRG类器官（hDRGO）模型，为理解感觉神经元的分化和功能提供了新的实验平台。研究团队利用该模型对感觉神经元谱系发育的转录调控机制进行解析，并对一群人类特异富集的伤害感受器的功能进行了研究。 在胚胎发育早期，神经嵴细胞（NCC）从神经管迁移到DRG区域，在微环境中的各种信号的引导下，分化为感觉神经元和胶质细胞。研究团队发现，NCC经历两个神经发生的关键窗口期，前后产生两种仍未特定分化的感觉神经元（unspecialized sensory neuron，uSN）——uSN1和uSN2，随后这些未特定分化的神经元进一步受到转录因子的调控，分别分化为大直径的感觉神经元和中小直径的感觉神经元。 通过解析早期NCC谱系分化轨迹，研究团队深入阐明了参与uSN命运决定过程的外部信号通路和内部转录因子联合调控机制。其中，WNT信号和MAPK信号调控干细胞向NCC分化，而视黄酸（retinoic acid，RA）、NT-3和BDNF信号在uSN1谱系分化中发挥重要作用，βNGF信号则参与uSN2谱系分化。 在解析了参与DRG中感觉神经元分化的信号通路后，研究团队在体外对这些信号分子组合进行模拟，成功的构建了人类背根神经节类器官（hDRGO）。hDRGO在培养中展现出多能干细胞-NCC-感觉神经祖细胞-感觉神经元的分化过程，最终产生人类背根神经节中主要的三类感觉神经元。这些神经元从发育轨迹到基因表达，都与人类DRG中的感觉神经元高度相似。同时这些感觉神经元呈现假单极形态，能够被辣椒素激活，进一步证明该hDRGO类器官能在细胞形态和功能上对感觉神经元进行精准模拟。 此外，研究团队还对DRG中胶质细胞的发育进行了系统的研究。他们发现胶质细胞产生于神经发生结束后，同样存在两个关键的时间窗口，先后产生卫星胶质细胞和施旺细胞。这两类胶质细胞通过特异的配受体对与感觉神经元亚型互作，参与感觉神经元功能建立过程。在类器官中，研究团队发现了类似真实DRG组织中施旺细胞包围神经纤维的组织结构，强调hDRGO在研究感觉神经元-神经胶质细胞互作方面的潜力。 通过物种间比较，研究团队发现人类和小鼠DRG中感觉神经元在发育进程、基因表达谱和细胞亚型上均存在差异，特别是一群以DCC/NTRK3/NTRK1基因表达为特征的感觉神经元在人类DRG中特异富集。研究团队发现，hDRGO中也存在这类感觉神经元。联合钙成像分析，研究团队证明了这类感觉神经元可以被辣椒素激活，明确了这群人类特异富集的感觉神经元是一种伤害感受器。此外，研究团队还利用该类器官验证了多种转录因子在调控感觉神经元谱系分化中的关键作用。 人类背根神经节时空发育机制和类器官模型构建 总的来说，该研究基于对人类DRG发育过程的解析，成功建立了人类背根神经节类器官模型，在体外模拟感觉神经元多样性和功能建立过程，并应用类器官探究了人类感觉神经元发育调控和进化上的特征。这项工作推动了人类感觉神经元研究的前沿，帮助深入理解人类感知系统的复杂性，并为改善与感觉神经元相关疾病的治疗提供新的思路和方法。研究团队对人类感知觉领域的后续研究充满期待，希望在未来能够揭示更多与感觉系统相关的秘密。 中国科学院生物物理研究所/北京师范大学王晓群教授、北京师范大学吴倩教授、广东省智能科学与技术研究院张旭院士为该论文的共同通讯作者。王晓群教授的博士研究生卢甜和博士研究生王梦迪为该论文的共同第一作者。 论文链接： https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell/fulltext/S0092-8674(24)01205-4 设置星标，不错过精彩推文 开放转载 欢迎转发到朋友圈和微信群  微信加群  为促进前沿研究的传播和交流，我们组建了多个专业交流群，长按下方二维码，即可添加小编微信进群，由于申请人数较多，添加微信时请备注：学校/专业/姓名，如果是PI/教授，还请注明。 点在看，传递你的品味