首个完整神经系统的基因表达图完成

诸平

Fig. 1 Graphical abstract

Fig. 2 The C. elegans brain with all neurons expressing green fluorescent protein (GFP), and a subset of neurons involved in feeding expressing a magenta nuclear marker. Scale bar is 10 microns. Credit: Seth Taylor

据美国范德比尔特大学（Vanderbilt University）2021年7月27日提供的消息，美国-西班牙的科研人员合作，已经完成了首个完整神经系统的基因表达图（First-ever gene expression map of an entire nervous system completed）。相关研究结果已于2021年7月7日已经在《细胞》（Cell）杂志网站发表——Seth R.Taylor，Gabriel Santpere，Alexis Weinreb，Alec Barrett，Molly B. Reilly，Chuan Xu，Erdem Varol，Panos Oikonomou，Lori Glenwinkel，Rebecca McWhirter，Abigail Poff，Manasa Basavaraju，Ibnul Rafi，Eviatar Yemini，Steven J.Cook，Alexander Abrams，Berta Vidal，Cyri lCros， Saeed Tavazoie， Nenad Sestan，Marc Hammarlund， Oliver Hobert，David M.Miller III. Molecular topography of an entire nervous system. Cell, Published: July 7, 2021. DOI: 10.1016/j.cell.2021.06.023. https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.06.023

参与此项研究的有来自美国范德比尔特大学医学院（Vanderbilt University School of Medicine）、耶鲁大学医学院（Yale University School of Medicine）、哥伦比亚大学（Columbia University）以及西班牙庞培法布拉大学（Universitat Pompeu Fabra）的研究人员。上述图2所示是秀丽隐杆线虫（C. elegans）的大脑，所有神经元表达绿色荧光蛋白(green fluorescent protein 简称GFP)，以及一组参与进食的神经元表达品红核标记（magenta nuclear marker）。

范德比尔特大学细胞与发育生物学系的研究助理教授塞思·泰勒(Seth Taylor)和大卫·米勒(David Miller)教授与哥伦比亚大学(Columbia University)和耶鲁大学(Yale University)的生物学家一起，建立了线虫（C. elegans）神经系统的基因表达图谱。

他们的数据补充了秀丽隐杆线虫神经系统的已知接线图（wiring diagram），首次绘制了整个神经系统中每个神经元的基因表达的完整图像。研究人员使用范德比尔特大学开发的流式细胞术方法（flow cytometry methods）捕捉每种类型的神经元，用于基因表达谱分析（gene expression profiling），并将这些数据分享给任何人，以研究神经元中的单个基因如何对神经系统的功能做出贡献。为了说明这一方法，他们使用计算方法（computational methods）来识别在特定神经元中控制基因表达的DNA区域，以及可能维持突触（synapses）形成的粘附蛋白（adhesion proteins）。突触是神经元之间的连接，所有大脑活动都是从突触开始的。

人类大脑有1000亿个神经元，而秀丽隐杆线虫只有302个。塞思·泰勒说:“因为指导蠕虫神经系统发育和功能的遗传规则也可能在大脑中运行，我们希望这种独特的基因表达数据集将成为破译大脑遗传基础的宝贵基础。这些数据将有助于假设驱动的研究，研究基因如何指定不同的神经元类型，它们如何建立和维持连接，以及它们如何影响行为。”

通过分享他们的数据，塞思·泰勒和同事们的目标是为研究神经系统以及基因缺陷如何塑造大脑功能和设计的研究人员创造机会。塞思·泰勒说:“我们希望我们的发现能够对这些长期的努力起到促进作用。”上述介绍，仅供参考欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Highlights

• Gene expression profiles of all 118 neuron classes in the C. elegans hermaphrodite

• Each neuron type expresses a distinct code of neuropeptide genes and receptors

• Expression profiles enable discovery of cell-type-specific cis-regulatory sequences

• Cell adhesion molecules correlate with neuron-specific connectivity

Summary

We have produced gene expression profiles of all 302 neurons of the C. elegans nervous system that match the single-cell resolution of its anatomy and wiring diagram. Our results suggest that individual neuron classes can be solely identified by combinatorial expression of specific gene families. For example, each neuron class expresses distinct codes of ～23 neuropeptide genes and ～36 neuropeptide receptors, delineating a complex and expansive “wireless” signaling network. To demonstrate the utility of this comprehensive gene expression catalog, we used computational approaches to (1) identify cis-regulatory elements for neuron-specific gene expression and (2) reveal adhesion proteins with potential roles in process placement and synaptic specificity. Our expression data are available at https://cengen.org and can be interrogated at the web application CengenApp. We expect that this neuron-specific directory of gene expression will spur investigations of underlying mechanisms that define anatomy, connectivity, and function throughout the C. elegans nervous system.