撰稿 | AiBrain 内容团队 常配文

排版 | AiBrain 编辑团队

据了解，骨骼肌是由脊髓运动神经元（MNs）支配的。在脊髓发育过程中，运动神经元形成分离的柱结构，每个运动柱支配一个不同的外周区域。其中正中运动柱（median motor column MMC）神经元支配中轴肌，轴下运动柱（hypaxial motor column HMC）神经元支配体壁肌肉，节前运动柱（preganglionic motor column PGC）神经元支配交感神经节，外侧运动柱（lateral motor column LMC）则支配肢体的肌肉。由于这些运动柱的存在，运动神经元可以很好的控制目标肌肉。一旦脊髓运动神经元受损，骨骼肌自然不能运动，也就是意识不能支配骨骼肌运动，那么肌肉就“瘫”在那里，肌张力降低，造成长时间软瘫，肌肉萎缩。

最近，一项来自台湾中央研究院的利用数据集中的大量MN对外侧运动柱（LMC）MN和内外侧运动柱（MMC）MN 内的异质性进行了更详细的分析，分别从肱段和腰椎段产生了16个和10个LMC子簇，以及3个MMC子簇。每个子簇表达的独特分子代码不仅可以作为标记，还可以深入了解单个细胞群的内在特征以及如何实现稳健的轴突靶向和神经连接。该重大研究以Single-cell transcriptomic analysis reveals diversity within mammalian spinal motor neurons为题发表在了Nat Commun杂志上。

众所周知，哺乳动物的多样化运动行为受到分布在脊髓上的丰富MN的调节，而这些MN具有多种亚型，并受一些转录因子或导向因子调节。为了全面了解哺乳动物胚胎中MN的分子异质性，Ee Shan Liau教授及团队对胚胎第13.5天的小鼠中的MN进行单细胞RNA测序。收集了GFP强度最高的细胞群，正如预期的那样，通过使用定制的GFP参考比对我们的scRNA-seq样品，我们在两个样品的大多数细胞中检测到GFP转录本（图1）。

图1：MN亚型沿脊髓前尾轴支配不同肌肉靶标的图示

Calb1 MN和Nfib Grm5是柱状MN中得两个亚型，对于Calb1 MN，免疫染色显示Calb1Mnx1细胞在E13.5小鼠脊髓中的腹内侧定位。此外，仅在肱段和上胸段观察到Calb1Mnx1，这意味着它们潜在的上半身肌肉群神经支配此外。相比之下，NfibGrm5共表达神经元仅在骶椎段中观察到（图2）。

图2：Calb1和NfibGrm5 MN的表征

除了发现MN亚型外，Ee Shan Liau教授及团队还努力通过鉴定已知柱状MN中的差异表达基因（DEG）来鉴定已知亚型的其他分子特征。原位杂交验正了Tac1是HMC MN得标记基因，Kitl是PGC MN的标志物。总体而言，scRNA-seq数据不仅鉴定了大多数柱状膜圈并揭示了未描述的MN亚型，而且还揭示了不同亚型的标记列表，这些标记可能解释其生理特征（图3）。

图3：簇身份分配和遗传标记的鉴定

Ee Shan Liau教授及团队的目标是分析LMC和MMC MN亚型，对来自肱LMC MN的1，475个细胞进行聚类。在臂路LMC MN中，Hoxa5/Hoxc8蛋白定义了前尾身份，而Isl1/Lhx1区分它们的中外侧位置。Hoxa5和Hoxc8簇的比较确定了几种Hox辅因子（Pbx1，Pbx3，Meis1和Meis2），这些辅因子已知在前部（Hoxa5，Hoxc8）和尾部（Hoxc8）MN之间差异表达。我们还观察到Nrp2和Unc5c在内侧Isl1簇中的富集表达。这些结果表明，LMC MNs在空间象限中的分配与体内分布非常吻合（图4）。

图4：基于转录因子和神经肽差异表达的肢体MN分子多样性的描绘

神经肽是由神经元产生的小蛋白质，通常作用于G蛋白偶联受体。Ee Shan Liau教授及团队观察到神经肽可以可靠地用于区分LMC MN，并且神经肽（Npy，Sst，Grp，Cbln1，Cbln4，Pnoc和Penk）在LMC MN的不同亚群中进行空间分配，而Pnoc和Grp共表达将cl3子簇与仅Pnoc的cl4子簇区分开来。值得注意的是，还检测到Etv4子簇（cm1）表示Sst和Grp，而Pou3f1子簇（cm3）显示Penk表达式。此外，与随机选择的TF和神经肽之间的相关性相比，Ee Shan Liau教授及团队观察到亚簇特异性TF和神经肽之间的相关性显着更强，这意味着运动池TF与神经肽的组合可能发挥亚型特异性生理作用，值得未来的实验验证（图5）。

图5：定义LMC MN多样性的簇特异性TF和神经肽的验证

Ee Shan Liau教授及团队比较了肱段和腰段之间LMC MN中的基因表达，并发现了112个DEG，其中Hox基因最普遍。此外，对DEG的GO分析表明，MN细胞在发育，胰岛素信号通路和翻译调节等途径在腰椎中比臂LMC MN更突出。相比之下，神经肽相关术语在肱路LMC MN中更丰富（图6）。

图6：肱和腰LMC神经元之间的不同特征

为了有效地比较肱段和腰椎段之间的LMC子簇，Ee Shan Liau教授及团队整合了来自所有肢体的所有LMC细胞，并使用Harmony算法将它们共同投影到共享的UMAP空间上。观察到两个原则：（1）肱段和腰椎之间的内侧亚簇相似，就像肱/腰LMC MN中的外侧亚簇一样，这表明这两个节段共享中外侧同一性的分子基础，而肢体之间前尾亚簇之间的相似性不太明显；（2）尽管肱/腰LMCs的中外侧身份的整体分子谱相似，但对每个亚簇的详细比较揭示了不同的趋势。总体而言，对肱路和腰椎LMC MNs的比较揭示了两肢之间的收敛和发散基因表达谱和亚型，包括TF和神经肽，突出了这些签名代码如何作为LMC MN中的组织基因逻辑（图7）。

图7：肱和腰LMC神经元亚簇的比较

为了验证假设，Ee Shan Liau教授及团队对来自样本的MMC MN进行聚类，并确定了三个主要的子簇，即Nr2f2（Coup-TFII），Satb2和Bcl11b（Ctip2）。地形分析显示，相对于Nr2f2和Bcl11b MMC MNs，Satb2在臂MMC中的内侧定位优先。高倍率下仔细检查Mnx1-GFP胚胎的轴突投影模式，并观察到背支分叉成分支，向脊椎和长肌/髂肋肌等外轴肌突出。还观察到轴突引导受体分子Nrp2（富集在Satb2中）和Unc5c（富集在Nr2f2中）在背支的不同分支中的优先表达，这表明分子定义的MMC亚型可能通过不同的途径支配不同的外轴肌类型（图8）。

图8：MMC神经元中的分子和功能异质性

Ee Shan Liau教授及团队对小鼠胚胎中MMC亚型的鉴定使Ee Shan Liau教授及团队进一步检查了类似的亚型异质性在高等脊椎动物中是否保守，包括鸡和人类。在鸡脊髓中，在大多数Lhx3 MMC MN中检测到MMC标记Mecom。与小鼠胚胎类似，这些MN也表达Nr2f2、Satb2和Bcl11b。总的来说，研究结果表明，Bcl11b、Satb2和Nr2f2在鸡、小鼠和人类胚胎中标记MMC亚型，这意味着MMC亚型在高等脊椎动物中的进化保守分布（图9）。

图9：MMC MN亚群在鸡和人脊髓中是保守的

AiBrain内容团队为大家整理了文章的pdf，如有需要，请公众号后台留言“pdf”或扫码添加AiBrain助手微信获取。