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.2018年4月;556(7701):370-375.
doi:10.1038/s41586-018-0035-0。 Epub 2018年4月11日。

天冬氨酸敲除雪貂揭示了控制大脑皮层大小的进化机制

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天冬氨酸敲除雪貂揭示了控制大脑皮层大小的进化机制

马修·约翰逊等。 自然. 2018年4月.

摘要

人类大脑皮层以其巨大的体积和丰富的旋转或折叠而著称。然而,驱动皮层大小和结构的进化机制尚不清楚。虽然已经从人类原发性小头畸形(一种与大脑体积缩小和智力残疾相关的疾病)的遗传学中确定了对大脑皮层发育扩展至关重要的基因1,对这些基因在小鼠身上的研究提供了有限的见解,因为小鼠的光滑皮层比人类皮层小1000倍。异常纺锤状小头畸形相关基因(ASPM)是最常见的隐性小头畸形基因,其突变会使人类大脑皮层体积减少至少50%2-4,但对小鼠大脑几乎没有影响5至9; 这可能反映了ASPM在进化上的不同功能10月11日在这里,我们使用基因组编辑在雪貂(Mustela putorius furo)中创建了Aspm的种系敲除,雪貂具有更大的回转皮层和更大的神经祖细胞多样性12-14与小鼠相比,与人类ASPM蛋白的蛋白质序列同源性更高。Aspm基因敲除雪貂表现出严重的小头畸形(大脑重量减少25-40%),反映出皮质表面积减少,而皮质厚度没有明显变化,正如人类患者所发现的那样3,4这表明“皮层单位”已经丢失。胎鼠天冬氨酸敲除雪貂的皮层显示出心室放射状胶质细胞向室下区外大量提前移位,在室下区内许多类似于外放射状胶质,外放射状神经胶质是一种神经前体细胞亚型,在小鼠中基本不存在,并且与灵长类的大脑皮层扩张有关12-16这些数据表明,ASPM通过控制心室放射状胶质细胞对心室表面的亲和力来调节皮质扩张,从而调节心室放射状神经胶质细胞(最未分化的细胞类型)与外放射状神经胶细胞(分化程度更高的祖细胞)的比率,这是一种进化机制。

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作者声明没有竞争性的经济利益。

数字

扩展数据图1
扩展数据图1。成熟期细胞结构和神经元亚型分层Aspm公司KO雪貂皮层
P41垃圾冠状切片的Nissl染色如图1l所示阿斯姆+/-Aspm−/−展示了同窝的人。b条,c(c),P41窝鼠免疫染色皮质层特异性投射神经元,包括Satb2(层II–IV)、Ctip2(第V层)和FoxP2(第VI层)。这些实验是独立重复3次,结果相似。比例尺:2 mm(,顶部),200μm(,底部),100微米(b条c(c)).
扩展数据图2
扩展数据图2。其他E35和P0同窝出生的背侧皮层中的Sox2/Ki67免疫染色
扩展图2e的发现,f、 每套面板都来自一个单独的垃圾箱,显示了神经祖细胞基底移位表型的高外显率。实验独立重复3次,结果相似。比例尺:200μm。
扩展数据图3
扩展数据图3。流离失所的祖细胞Aspm公司KO雪貂有基底纤维
扩展图2h的发现,i、 Sox2、Ki67和Vim的免疫染色显示神经祖细胞具有基底放射状纤维。重复实验3时间独立,结果相似。比例尺:100μm。
扩展数据图4
扩展数据图4。Aspm公司KO小鼠在IZ中未表现出移位的祖细胞
不同于Aspm−/−雪貂,Aspm−/−老鼠不演示在工业区流离失所的NPC。然而,它们显示出IP的可变增长(Pax6-/Ki67+细胞和Tbr2+细胞b条)杂合子复合突变增强了Wdr62、,导致更严重的小头症基因小头畸形。这个实验独立重复3次,结果相似。比例棒材:100μm。
扩展数据图5
扩展数据图5。整个生发区的细胞凋亡适度增加Aspm公司KO端脑
酶荧光显示凋亡细胞(黄色)DAPI核染色检测双链DNA损伤(蓝色)。实验以类似的方式独立重复3次结果。比例尺:500μm(,整段)和100微米(b、 c、,皮质墙柱)。
扩展数据图6
扩展数据图6。Aspm-KO皮层移位祖细胞的额外免疫组织化学分析
VRG/ORG标记Sox2和Hopx揭示了VZ和SVZ中广泛的共标记,包括取代OSVZ祖细胞。b条,在E35 KO OSVZ中多余的移位神经前体细胞包括Tbr2+IP被Dcx+新生神经元包围,表明早熟OSVZ生态位内的神经发生得以保存Aspm公司KO皮层。实验重复3次具有类似结果。比例尺:50μm。
扩展数据图7
扩展数据图7。单细胞RNA-seq批处理、样品和聚类分析
,图中的tSNE图。3a细胞被生物复制(即动物)着色。大多数簇包括所有样本中的细胞,但簇除外表达血液基因和簇表达脉络丛上皮主要来自动物WT5E的细胞。这两个细胞簇不是包括在下游分析中。b条,图3a中的tSNE图,单元格由批次着色它们在中进行处理。集群由所有批次的细胞组成。c(c)、每细胞基因计数和唯一分子标识符每个样本的(UMI)计数。每个小提琴情节都是一个生物复制品每个点是一个单元格。样品WT5D未包括在分析中,原因是与其他样本以及与其他WT样本相比不一致的聚类(数据未显示)。、已识别的每细胞基因计数和UMI计数集群。每个小提琴图是一个细胞簇,每个点是一个单元。这个下游未包括三个灰色簇(EN4、BL、CPE)分析。有关详细信息,请参见方法。进行了scRNA-seq实验有一次n个=22211个细胞(2个细胞中的8037个细胞Aspm公司+/+和1+/-雪貂和14174个来自4Aspm−/−雪貂)。RG1,循环放射状胶质祖细胞;RG2,相间径向神经胶质祖细胞;IP,中间祖细胞;EN1,上层兴奋性神经元;EN2,深层兴奋性神经元;EN3、Cajal-Retzius细胞;输入1,未成熟抑制神经元;IN2、SST+抑制神经元;输入3,腹侧/抑制性祖细胞;内皮细胞1;ENDO2、,内皮细胞2;OPC,少突胶质前体细胞;MG,小胶质细胞;EN4、,混合兴奋神经元特性;BL,血细胞;CPE,脉络丛上皮细胞。
扩展数据图8
扩展数据图8。损失Aspm公司干扰雪貂胚胎成纤维细胞的中心粒复制
有丝分裂的Aspm公司KO-FEF,通过pH3染色鉴定并对中心粒标记Centrin进行共染,显示出明显的缺失中心粒。数量异常(小于4)的细胞百分比中心粒增加了8倍Aspm公司−/−FEF与Aspm公司+/+联邦应急基金(n个=100个细胞/基因型/独立实验;P(P)= 0.003). 重复实验3时间独立,结果相似。进行了统计分析由双尾t吨-测试和图表显示平均值±s.e.m.公司。
图1
图1。Aspm公司KO雪貂强壮地模拟人类小头畸形
人类、雪貂和小鼠的鼻咽癌多样性。b条,c(c),ASPM蛋白在人类和雪貂之间高度相似,包括IQ域的数量(c(c),括号中)。,费雷特Aspm公司显示靶序列的基因(蓝色突出显示)和创始人移码删除。e(电子),Aspm损失KO胚胎成纤维细胞中。(f),Aspm公司+/−和−/−室友大脑。克–克灰质和白质的MRI分割(),gyri分为4个区域(小时),水平和冠状切片()和体积量化(j个)和皮质表面积(k个). 对于缩写,请参见方法。(*,P(P)< 0.05;n个=3/基因型)。第页,Aspm−/−雪貂大脑重量减轻(n个, **,P(P)< 0.005;*,P(P)< 0.01;n个=3–17/基因型/年龄组),但细胞结构(),层流组织(),皮层厚度(o(o),n个=6/基因型)和体重(第页,n个=3/基因型)。q个,损失属于Aspm公司减少雪貂的外皮层表面积,而不是在小鼠中(n个=3/基因型)(*,P(P)= 0.0217). 除了方框图(n个),图表显示平均值±s.e.m.见方法,扩展数据表1和统计和再现性的源数据(图表)。比例尺:e(电子),10微米;(f),5毫米;,1毫米;,100微米。
图2
图2。Aspm公司KO雪貂展示流离失所的NPC
(f),核染色天冬氨酸天冬氨酸−/−雪貂表现出早熟的OSVZ样区域(c(c),箭头)包含NPC快递Pax6、Sox2和Ki67((f)).k个,流离失所的NPC包括Sox2+/pVim+ORG(,箭头)带底座过程(,箭头;小时,,k个)和Tbr2+IP。心室肌pVim+NPC为增加了3倍Aspm−/−雪貂(j个) (*,P(P)=0.006乘以单尾的t吨-测试;平均值±标准误差;n个= 3+/−n个=4−/−动物)。o(o)、流离失所的NPC快递维姆,脱中胚蛋白,或Ptprz1型(,),有Arl13b+纤毛(o(o)),并且是Sox2+/Neurog2+/Hopx+(填充箭头)或Sox2+/Neurog2+/Hopx-(开放箭头)(n个).第页,q个,Aspm−/−小鼠缺乏移位的NPC。请参见统计和再现性方法。比例尺:c(c)500微米;(f),50微米;,n个,o(o), 10微米;k个,第页,q个,100μm。
图3
图3。损失Aspm公司改变细胞类型比例,但不改变转录程序
,scRNA-seq识别E35的主要细胞类型。(缩写词和统计信息,请参阅扩展数据表2.)b条,每个簇的细胞类型标记。c(c),每种电池类型的比例,最大变化用黑色表示大纲(引导程序FDR<0.01)。,Aspm公司VZ顶面富集;脱中胚蛋白+IP为KO SVZ中增加。e(电子),(f),阿波德+OPC增加Aspm−/−雪貂(*,P(P)=0.012(通过单尾t检验);n个=4只动物/基因型)。见统计和再现性方法。该图显示了平均值±s.e.m.星号,血船只。比例尺:100μm。
图4
图4。天冬氨酸控制顶端极性复合体蛋白在中心体的定位
,心室表面的aPKCζ在Aspm−/−老鼠。b条,耗尽H4细胞中的ASPM阻止aPKCζ和PAR6α向中心体。c(c)、ASPM和aPKCζ共同免疫沉淀Hela细胞。,e(电子),Aspm的丧失降低了心室Ninin的表面染色。(f)ASPM和aPKCζ的消耗防止Ninin向H4细胞中心体募集。,aPKCζ、Par6α和Ninin水平在Aspm−/−小鼠胚胎成纤维细胞。请参见再现性方法。凝胶源数据见补充数据。比例尺:,50微米;b条(f), 5微米。

中的注释

  • 一个不断扩大的角色。
    耶茨·D·。 耶茨·D·。 Nat Rev神经科学。2018年6月;19(6):320-321。doi:10.1038/s41583-018-0017-0。 Nat Rev神经科学。2018 PMID:29740173 没有可用的摘要。

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