人诱导多能干细胞产生下丘脑弓状类器官

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文献导读
2021年5月6日，来自美国宾夕法尼亚大学的Guo-Li Ming教授及其团队在《Cellstem Cell》上发表了题为“Generation of hypothalamic arcuate organoids from human induced pluripotent stem cells”的文章。该文章建立了一种从人诱导的多能干细胞中生成下丘脑弓状类器官的方法，该细胞表现出人弓状核的神经元亚型多样性和分子特征，可用于Prader-Willi综合征模型。

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研究介绍
类器官是一种三维细胞培养物，用于再现复杂的体内生理现象、模拟患者对药物治疗的反应和对治疗的耐药性等。而由人诱导多能干细胞（iPSCs）产生的脑区域特异性类器官可以研究不同的人类大脑区域的发展和不同细胞类型的产生，包括新皮质、中间神经节隆起、中脑和丘脑，也可以模拟各种脑部疾病。但是，现有的技术不能呈现更精细的大脑结构。在下丘脑中，弓状核（ARC）是重要的组成部分，它可以整合饥饿和饱足的循环信号，反映能量存储和营养可利用性。然而，现有的研究方法不能产生下丘脑核特异性类器官，并且对人类ARC发展知之甚少。而与ARC功能障碍相关的一种疾病Prader-Willi综合征（PWS）严重影响着儿童的生长、社交和学习。因此，作者开发出一种从人iPSCs中产生的ARC-like类器官（ARCOs），它们来自两个独立的iPSC细胞系C3和C65 。
为了系统地研究ARCO亚群的细胞类型多样性和分子特征，作者分别在两个发育时间点对C3和C65 iPSC细胞系的ARCOs进行了单细胞转录组分析。 ARCOs的单细胞RNA测序显示了不同弓状细胞类型背后的显著分子异质性。之后，基于新生儿人类下丘脑单核转录组的机器学习辅助分析进一步显示了人类弓状核分子特征。这些数据表明， ARCOs呈现出和人ARC相似的细胞多样性和分子特征。
为了研究早期神经发育阶段PWS患者的ARC中潜在的细胞和分子缺陷，作者从两名有两个不同易位断点的PWS患者中生成了两种iPSC系。一个位于15q11.2-q13号染色体Prader-Willi SNRPN位点外显子2 ~ 3之间（主要缺失），另一个位于17 ~ 18号外显子之间（次要缺失）。从两个患者的iPSCs中产生的ARCOs相比对照组形态更大， PWS ARCOs表现出明显的神经增殖、分化缺陷以及功能性缺陷。
之后，作者将主要缺失和次要缺失的PWS iPSCs细胞系和对照组在成熟早期（20 DIV）和晚期（100 DIV）阶段生成的ARCOs进行了RNA-Seq ，以期能更详细地比较对照转录变化。首先，不同细胞系的生物复制在两个时间点上聚类，并且PWS ARCOs存在广泛的转录失调。然后将主要缺失的PWS iPSCs组和对照组进行比较发现，参与神经系统发育的许多基因的表达减少，还有突触相关基因的下调。对下调基因进行GO分析显示，与神经元分化、轴突发育、突触可塑性调节和离子转运相关的基因富集。另一方面，与对照ARCOs相比， PWS iPSCs组RNA加工相关基因和代谢相关基因上调。总之，对上调基因的GO分析显示，与翻译起始、核糖体生物发生、肽生物合成过程和免疫反应相关基因富集。对比主要缺失和次要缺失的ARCOs发现氧化还原过程相关基因调控异常。因此， ARCOs为研究早期人类弓状核发育过程中核特异性特征和疾病相关机制提供了一个很有前途的实验模型。