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.2012年2月5日；15（3）：477-86，S1。
doi:10.1038/nn.3041。

从多能干细胞到功能性兴奋性突触的人类大脑皮层发育

宜城市 1, 彼得·科万, 詹姆斯·史密斯, 休·P·C·罗宾逊, 弗雷德里克·利弗西
附属公司

人类大脑皮层从多能干细胞发育为功能性兴奋性突触

石一琛等。 自然神经科学. .

摘要

由于模型系统的可用性，研究人类大脑皮层在健康和疾病中的发育和功能的努力受到了限制。根据我们对啮齿动物皮层发育的理解推断，我们已经为人类皮层从多能干细胞的发育开发了一个强大的多步骤过程：将人类胚胎干细胞（ES）和诱导多能干（iPS）细胞定向分化为皮层干细胞和祖细胞，随后是皮层神经发生的延长期，神经元末端分化获得成熟的电生理特性，以及功能性兴奋性突触网络的形成。我们发现，从人类ES细胞和人类iPS细胞诱导皮质神经上皮干细胞依赖于维甲酸信号。此外，人类ES细胞和iPS细胞向大脑皮层的分化在体内的发育过程中进行了重演，以固定的时间顺序生成各类皮质投射神经元。该系统能够对人类大脑皮层的发育进行功能性研究，并生成个体特异性皮层网络，用于疾病建模和治疗目的。

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数字

图1
图1。人ES和iPS细胞定向分化为皮质干细胞和祖细胞
A.在15天的神经诱导期内，表达Oct4-的hES细胞高效分化为表达Pax6的神经干细胞。星号表示第0天没有可检测到的Pax6表达细胞，第15天没有Oct4-表达细胞。误差条，s.e.m.，n=每个标记在每个时间点的3个样本。B.皮质干细胞表达的转录因子Foxg1的定量RT-PCR表明，皮质干细胞的诱导在5天后开始，20天后达到峰值，而表达Tbr2的中间祖细胞和新生神经元则在近一周后开始出现。Error bars，s.e.m.对皮质干细胞表达的Emx1和腹侧和/或尾侧表达的转录因子Dlx1、Nkx2.1、HoxB4和Isl1的半定量RT-PCR进一步表明，通过该方法生成的神经花环不表达腹侧和尾侧表达基因的mRNA。这与用刺猬激动剂嘌呤胺（hiPSCs+Pur.）治疗后腹化的玫瑰花结形成对比。C.通过表达皮层干细胞的特征蛋白：Pax6、中间丝蛋白Vimentin和Otx1/2，确认hESC衍生干细胞和祖细胞（Ki67阳性）的皮层特性。比例尺，50μm。D.在两个hESC和四个hiPSC细胞系中存在或不存在类维生素A的情况下，通过Pax6表达细胞的百分比（用DAPI检测的细胞核百分比）来量化皮质诱导的效率。值是每个细胞系三种培养物的平均值。在缺乏或存在外源性维甲酸的情况下，通过双重SMAD抑制启动神经分化后12-14天，hESC和iPSC-derived培养物的误差棒、s.e.m.e-P相位对比和Pax6免疫荧光图像。当培养物中不添加维甲酸时，很少观察到神经玫瑰花结（箭头）。在这些培养物中也观察到小簇Pax6表达细胞。在所有细胞系中均观察到神经上皮玫瑰花结的有效诱导，大多数细胞表达Pax6。比例尺，50μm。
图2
图2。PSC衍生的皮质干/祖细胞形成极化神经上皮在体外类似于皮质心室区
A-C.hES（A）和hiPSC（B，C）衍生的皮质干细胞和祖细胞形成增殖细胞（Ki67）的极化神经上皮玫瑰花结，其中许多有丝分裂（磷酸组蛋白H3）发生在神经上皮细胞顶端表面形成的中央腔（白色箭头）附近（CD133/Prominin1，所有面板中均为红色）。D-L。除CD133/Prominin1外，皮质玫瑰花结将aPKC（D-F）、转铁蛋白受体（TfR，G-I）和ASPM（J-L）定位于神经上皮细胞的顶端、管腔极。比例尺A-C，100μm；D、 25微米。M-O.中心体（通过CEP135免疫染色检测）位于hESC（M）和hiPSC（N，0）衍生的皮质玫瑰花结的顶部，如同它们位于神经上皮中一样体内试验。乙酰化微管蛋白（白色箭头）延伸至皮质干/祖细胞。比例尺，25μm。P-R.蛋白质定位于皮质干细胞和祖细胞的粘附连接处体内，ZO-1和N-钙粘蛋白富集于人PSCs来源的皮质干/祖细胞的腔顶表面。比例尺，100μm。以30分钟为间隔，在hESC衍生的皮质玫瑰花结中，对顶端分裂的皮质干/祖细胞拍摄相位对比静态图像。黄色箭头表示神经上皮细胞（绿点）的细胞核顶部移位，分裂成两个子细胞，其中一个（黄色）保持在玫瑰花结的中心，而另一个（蓝色）放射状迁移到玫瑰花环的外围。比例尺，100μm。T。玫瑰花结内基底（无心室）有丝分裂的相位对比图，如（S）所示。在这种情况下，箭头/绿点指示的单元格在玫瑰花环的外围经历M相。比例尺，100μm。
图3
图3。从PSC分化出来的皮质玫瑰花结产生基底祖细胞和外放射状胶质细胞
A-C。hESC（A）和hiPSC（B，C）衍生的皮质花环内的大多数细胞是表达Vimentin的神经上皮细胞，其顶端突起（箭头）朝向每个花环的中心（星号）。比例尺，50μm。D-F.每个玫瑰花结外围的玫瑰花环细胞亚群表达基底祖细胞/室下区细胞转录因子Tbr2。Tbr2+细胞的一个子集是增殖细胞，因为它们共同表达Ki67（白色箭头），而其他细胞则不表达（黄色箭头）。比例尺，50μm。G-I.许多Tbr2+细胞是新生神经元，因为它们也表达双皮质素（黄色箭头）。比例尺，50μm。J-L。虽然大多数有丝分裂（磷酸化-胆固醇H3+细胞）位于每个玫瑰花结的顶部中心（黄色箭头），但也发现有丝分裂从玫瑰花团的中心或向外围移位（白色箭头）。这些心室肌有丝分裂表明玫瑰花结内存在次级基底祖细胞群。比例尺，50μm。M、 N.皮质玫瑰花结中发现的Tbr2+细胞比例的量化-来自不同hESC和hiPSC系的玫瑰花内15%至20%的细胞表达Tbr2（M）。在Tbr2+人群中，约40%是Ki67+循环祖细胞（N）。Error bars，SD.O.从hESCs（H9）和两个hiPSC系产生的皮质玫瑰花结中出现的无心室、基底皮质干/祖细胞有丝分裂（磷酸化-睾酮H3+细胞）相对比例的量化。磷酸组蛋白H3+有丝分裂细胞如果发现离管腔表面的细胞直径超过5倍，则被定义为无室性。误差棒，SD.P-R。GFP标记的单个放射状胶质（心室）细胞（P）和oRG细胞（Q，R）的代表性图像。放射状神经胶质细胞（P）表达Pax6蛋白（蓝色细胞核）有一个顶端突起（红色箭头，P），其顶端包含中心体（黄色箭头）和一个长的基部突起（白色箭头，P）。相反，oRG细胞（Q，R）也表达Pax6（蓝色细胞核），有一个单一的基底突（白色箭头），它们的中心体位于细胞核附近的细胞体中（黄色箭头）。比例尺：P，25μm；Q、 R，10μm。S-U。在室间隔玫瑰花结位置发现两种类型的有丝分裂前体细胞：Pax6表达细胞，具有磷酸化-黄素+基底突起（白色箭头，S，T），不表达Tbr2（白色箭头（U）），对应于oRG细胞；和缺乏表达Tbr2（黄色箭头，T）的基底突起（黄色箭头（T））并与基底祖细胞相对应的Pax6阴性细胞。比例尺：S、T、20μm；U、 25微米。
图4
图4。PSC衍生的皮质干细胞在星形胶质细胞之前产生皮质谷氨酸能投射神经元
A.PSC衍生的皮质干/祖细胞产生神经元的量化。有丝分裂原的退出刺激了神经发生，随后在数周内产生了越来越多的神经元。数值是表达神经元特异性微管蛋白Tuj1的细胞百分比（DAPI+细胞核），是每个时间点三种培养物的平均值。RT-PCR检测到，在第50天，PSC衍生的皮层神经元表达Error bars，s.e.m.B.Reelin mRNA。C.PSC衍生的皮层干/祖细胞产生谷氨酸能神经元。绝大多数神经元的神经突中含有vGlut1阳性点状突起。比例尺，100μm。D.表达Tbr1的皮质丘脑投射神经元与PSC衍生的皮质干/祖细胞分化相对较早。显示了从第50天开始的hES和hiPS线的代表性培养物（Tbr1，红色；Tuj1，绿色；DAPI，蓝色）。比例尺，50μm。E.星形胶质细胞（S100，红色）是在该系统中相对较晚的阶段（如图所示，第70天）生成的，在体内发育过程中也会发生。比例尺，50μm。一层、二层。在发育中的星形胶质细胞中，GFAP表达遵循S100表达：白色箭头表示第90天的GFAP+/S100+细胞，黄色箭头表示GFAP−/S100+细胞。比例尺，50μm。G.S100+胶质细胞的数量在培养60至100天期间从约1%增加到7%，在五个不同的hESC和hiPSC系中一致。H.此处使用的小鼠脑片分析系统示意图。将人PSC衍生的皮层神经元作为单细胞悬液涂布在小鼠胚胎脑冠状片上，并共同培养14天。一、 J.14天后小鼠皮层切片中人类皮层神经元的共焦图像（通过人类NCAM表达检测；I，hESCs；J，iPSCs）。大多数神经元呈放射状排列（每个面板中的软脑膜表面朝上），一些神经元在边缘区内呈切线方向。比例尺，50μm。K、 L.量化小鼠皮层切片培养中人类ESC和iPSC衍生的皮层神经元的方向，不包括边缘区的神经元。如果神经元的主要轴突在以垂直方向为中心的90°节段内朝向软脑膜表面（软脑膜和心室表面之间垂直方向的±45°，K），则将其归类为径向神经元。每行近90%的神经元呈放射状（L）。n=统计了3个区域，每个细胞系共有500个细胞；error bars，SD.M，N.第6层转录因子Tbr1在人类皮层神经元中的表达，该神经元位于小鼠皮层的深层（M）和上层（N）。比例尺，25μm。
图5
图5。PSC产生人皮层兴奋性神经元在体外概述体内发展
A.根据小鼠数据绘制的成年皮层各层皮质投射神经元类别图，如图所示，每类神经元中均表达转录因子。胼胝体投射神经元。人类ES细胞皮层神经发生的顺序重演了正常发育。深层和上层神经元由hESCs按时间顺序生成，第5层和第6层神经元（Tbr1和CTIP2）在第2/3层神经元（Brn2）之前生成。N=3个实验为每个标记打分。Error bars，s.e.m.C-e.早期出生的皮层神经元与胚胎干细胞的分化。第6层的皮质丘脑投射神经元（Tbr1/CTIP2-表达神经元，A-C）和第5层的皮质脊髓运动神经元（CTIP2-阳性，Tbr1-阴性神经元，C中的白色箭头）均存在。比例尺，50μm。F-H。在早期出生的深层神经元数周后，上层、后期出生的皮层神经元在此系统中分化。这些神经元表达Cux1、Satb2和Brn2。比例尺，50μm。I-K.通过四种不同的iPSC线产生可复制的深层和上层投射神经元。五十、 M.BrdU管理的出生日期测定表明，上层Satb2表达神经元是在该系统的晚期（直到第90天）由皮质干/祖细胞生成的。在第50天加入BrdU 48小时，然后在7天后收获（L），发现大多数表达Tbr1的深层神经元在此阶段已经生成，只发现少量Tbr1+/BrdU+神经元（白色箭头，L），而没有表达Satb2的神经元分化。相比之下，在第90天给予BrdU，然后在第100天进行细胞分析，发现大量表达Satb2的神经元在此阶段由有丝分裂干/祖细胞生成（黄色箭头，N）。比例尺，50μm。N.人类ES和iPS线产生的不同类别皮层投射神经元的相对比例。从所有线条生成的深层和上层神经元比例大致相等。细胞计数的技术细节见方法。
图6
图6。PSC衍生的皮层神经元分化以获得成熟的电生理特性
A、 B.PSC衍生皮层神经元的电压门控钠和钾通道。对阶跃去极化系列的电流响应从−80 mV到+40的保持电位叠加。在A区，快速激活和失活的内向钠电流被TTX完全阻断。在B中，4-AP阻止外向K电流的快速激活瞬态部分。C.PSC衍生的皮层神经元的电生理特性随着时间的推移而成熟，例如动作电位放电对阶跃电流注入的反应发生变化。第28天，n=3；第35天，n=4；第42天n=4；第49天，n=3。D、 E.hESC和hiPSC衍生的皮层神经元对步进电流注入产生强烈的规则尖峰行为。
图7
图7。PSC衍生皮层投射神经元间功能性兴奋性突触的形成
A-F.树突的超分辨率显微镜图像（MAP2，绿色，A，B）显示兴奋性突触特异性PSD95蛋白（A-D）的病灶定位。物理突触（所有图像中的箭头）通过突触前和突触后蛋白质复合物的并列来识别，突触素和PSD95（C，D）或Munc13和Homer（E，F）。比例尺如图所示。G.量化来自四个hiPSC和一个hESC系的皮层神经元培养物中发现的与突触素病灶并列的PSD-95病灶的比例。在所有病例中，大约90%的PSD-95病灶与突触素共定位。误差条，SD。有关技术详细信息，请参阅方法。H、 I.在hESC（H）或hiPSC（I）衍生的皮层神经元的全细胞记录中检测mEPSCs。AMPA受体拮抗剂CNQX阻断了mEPSCs的出现。此外，还显示了来自hESC（n=20事件；H）和hiPSC（n=200事件；I）衍生的皮层神经元的平均mEPSC。J.hESC和hiPSC衍生的皮层神经元中诱发的突触后电位（PSP）具有兴奋性（n=9个神经元），并被AMPA受体拮抗剂CNQX（50μM；n=4个神经元）阻断。添加NMDA受体拮抗剂APV（50μM）对诱发PSP（n=2个神经元）无明显影响。显示了代表性神经元的平均记录（对照组，7个试验；APV 13个试验；CNQX，10个试验；Washout，10个实验）。
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    1. Finlay BL，Darlington RB。哺乳动物大脑发育和进化的相关规律。科学。1995;268:1578–84.-公共医学
    1. Rakic P.新皮质的进化：从发育生物学角度来看。Nat Rev神经科学。2009;10:724–35.-项目管理委员会-公共医学
    1. 希尔·RS，沃尔什·加利福尼亚州。人类大脑进化的分子见解。自然。2005;437:64–7.-公共医学
    1. Wonders CP，Anderson SA。皮层中间神经元的起源和规格。Nat Rev神经科学。2006;7:687–96.-公共医学

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