撰文
Qi
#类器官#
由人类诱导多能干细胞（iPSCs）生成的大脑类器官为研究不同脑区发育及疾病特征提供了前所未有的平台。然而，当前的类器官尚无法概括更为精细的脑结构的细胞类型和分子特征，例如下丘脑的不同核区。其中，弓状核（arcuatenucleus,ARC）是一个必不可少的结构，整合了饥饿和饱腹的循环信号，反映了能量存储和利用率。
ARC功能障碍相关的一种疾病是Prader-Willi综合征（PWS），这是一种神经发育障碍，其特征是饱腹感受损和严重的儿童肥胖以及社交和学习障碍。尽管在胎儿和儿童早期发育中已经报道了PWS的临床异常，但关于PWS在人类下丘脑发育中的病理生理学知之甚少，部分原因是由于缺乏针对这种遗传疾病的特定于ARC的体外模型。
近日，来自美国宾夕法尼亚大学的明国莉团队在CellStemCell杂志上发表了一篇题为Generationofhypothalamicarcuateorganoidsfromhumaninducedpluripotentstemcells的文章。在这项研究中，作者报告了由iPSCs生成的ARC类器官（ARCOs），scRNA-seq数据显示了不同细胞类型间的显著分子异质性。此外，由PWS患者iPSCs生成的ARCOs在发育过程中表现出异常的转录组特征和分化模式，提示患者iPSCs衍生的ARCOs可能代表一种有前景的实验模型，可用于研究早期人类弓状核发育过程中的特定于核的特征和与疾病相关的机制。
首先，根据ARC发育过程中shh信号激活和Wnt抑制的需求，研究人员开发了由人iPSCs诱导生成ARCO的方案，通过免疫染色及已发表的单细胞转录组数据确认了ARC发育中的标记基因，如转录因子OTP、DLX、TBX3以及POMC等，结果显示多样化的ARC样神经元群体产生。
为了系统地研究ARCOs亚群的细胞类型多样性和分子标记，作者在两个发育时间点分别对C3和C65iPSC系的ARCOs进行了单细胞转录组分析，并通过AllenBrainAdultHuman数据库对ARCOs与人类下丘脑不同亚核的转录组特征进行比对分析之后，确认ARCOs不仅可以概括人类下丘脑ARC的细胞类型多样性，而且还可以概括其分子特性。在此之前，尚无针对胚胎或成人ARC的参考单细胞转录组数据集，为此，作者对新生儿人类下丘脑进行了单核RNA测序分析，以生成参考数据集，并将其与ARCOs的scRNA-seq数据集进行整合，作者发现两个样品的细胞分布高度重叠，提示细胞类型组成和分子标记具有相似性。
接下来，为了研究PWS患者在神经发育早期阶段ARC中潜在的细胞和分子缺陷，作者从两名具有两个不同易位断点的PWS患者中生成了2种iPSC细胞系，并对其进行了特征分析，其中一个在外显子2和3之间（“主要缺失”），另一个位于外显子17和18之间（“次要缺失”）。与对照相比，两名PWS患者的iPSC衍生的ARCOs的尺寸均明显更大，免疫染色显示，PWSARCOs在15DIV时含有显着更高的KI67+细胞百分比。综合数据来看，与对照ARCOs相比，PWSARCOs表现出明显的神经增殖和分化缺陷。
鉴于PWSARCOs的分化缺陷，作者进一步检查了其对ARCOs产生的功能性后果。首先，在多电极阵列（MEA）上进行电生理分析，观察到对照和PWSARCOs均能激活神经元放电，而PWSARCOs神经元放点频率降低。此外，ARC的一个功能性标志是激活POMC+神经元以响应瘦素（一种厌食神经肽）并释放黑色素细胞刺激激素（MSH），在瘦素处理后，作者发现对照ARCOs在60DIV时磷酸化形式的JAK2和STAT3的水平升高，在PWSARCOs中显着减弱，表明瘦素信号传导存在缺陷。此外，用瘦蛋白处理的ARCOs的条件培养基的ELISA分析显示，对照ARCOs中的MSH水平升高，而PWSARCOs中的MSH水平低得多。因此，这些结果显示了PWSARCOs存在功能缺陷。
总的来说，这项研究提供了一个用于研究弓状核发育过程以及与弓状核功能障碍相关疾病潜在机制的手段，可以通过调整模型形成时间和诱导因子的组合，对更为精细的大脑区域进行建模。因此，这一研究进一步提供了对人类下丘脑单细胞数据集的比较分析，以及在不同脑核结构中转录组特征的全面谱图，为探索人类和小鼠下丘脑之间的保守和发散特征提供了资源。最后，使用该方案对早期ARC的发育进行建模还将为在临床症状发作之前的下丘脑相关疾病的早期阶段提供表型的获取途径，这对于开发诊断性生物标志物和测试新疗法可能具有重要价值。
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