背根神經(jīng)節(jié)（DRG）作為感覺神經(jīng)元胞體的聚集地，承擔著將感覺信號從外周傳入中樞的重要功能。神經(jīng)嵴細胞（NCC）可分化為DRG中的多種感覺神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞，而這一過程需要特異的信號分子和轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。當前，關(guān)于DRG發(fā)育和細胞類型及功能的研究聚焦于小鼠模型，但人類感覺神經(jīng)元在亞型和功能基因表達上與小鼠存在一定的差異，因而關(guān)于人類DRG發(fā)育的特點和細胞命運決定的調(diào)控機制有待研究。同時，類器官培養(yǎng)可以通過體外對干細胞的培養(yǎng)和有序分化，實現(xiàn)與相應(yīng)的器官類似的空間組織，并可以重現(xiàn)相應(yīng)器官的部分功能，為研究人員提供研究器官發(fā)育和疾病的有效平臺。因此，解析人DRG發(fā)育的調(diào)控機制并在體外建立DRG類器官模型，將為人類感覺神經(jīng)元發(fā)育和生理功能的研究提供工具。11月12日，中國科學(xué)院生物物理研究所研究員王曉群課題組聯(lián)合中國科學(xué)院院士、廣東省智能科學(xué)與技術(shù)研究院研究員張旭課題組以及北京師范大學(xué)教授吳倩課題組，在《細胞》（Cell）上發(fā)表了題為Decoding Transcriptional Identity in Developing Human Sensory Neurons and Organoid Modeling的研究論文。該研究解析了人類背根神經(jīng)節(jié)發(fā)育過程中調(diào)控多種感覺神經(jīng)元分化的多層級信號通路，建立了人類DRG類器官模型，并利用這一模型對調(diào)控感覺神經(jīng)元譜系發(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子進行了驗證。同時，該研究發(fā)現(xiàn)了人類特有的傷害感受器細胞亞型，并在人DRG類器官中復(fù)現(xiàn)了這類細胞的發(fā)育和功能。為了構(gòu)建人類DRG類器官模型，該研究使用基于單分子成像的單細胞空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)TF-seqFISH，解析了妊娠早中期人類胚胎DRG發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，NCC經(jīng)歷兩個神經(jīng)發(fā)生的關(guān)鍵時間，并前后產(chǎn)生兩種未特定分化的感覺神經(jīng)元——uSN1和uSN2。這些未特定分化的神經(jīng)元將進一步受到轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，分別分化為大直徑的感覺細胞和小直徑的感覺細胞。這是感覺神經(jīng)元多樣性的基礎(chǔ)。研究通過解析早期NCC譜系分化軌跡闡明了參與uSN命運決定過程的外部信號通路和內(nèi)部轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的聯(lián)合機制。基于以上多層級信號通路在DRG神經(jīng)元命運決定中的作用，通過時序性的加入不同的信號因子，該研究構(gòu)建了功能性背根神經(jīng)節(jié)類器官（hDRGOs），并在體外復(fù)現(xiàn)了多能干細胞-NCC-感覺神經(jīng)祖細胞-感覺神經(jīng)元的分化過程，包括人類背根神經(jīng)節(jié)中三類感覺神經(jīng)元。這些神經(jīng)元從發(fā)育軌跡到基因表達，均與人DRG的發(fā)育相似。同時，這些感覺神經(jīng)元呈現(xiàn)假單極形態(tài)，并對辣椒素的刺激有相應(yīng)的生理響應(yīng)，證明了該DRG類器官可以獲得具有一定功能的感覺神經(jīng)元。該研究通過物種間比較發(fā)現(xiàn)，人類和小鼠在感覺神經(jīng)元的發(fā)育進程、基因表達譜和細胞亞型上均存在差異。研究發(fā)現(xiàn)了一類在人類DRG中特異富集的傷害感受器亞型。這類感覺神經(jīng)元亞型以DCC/NTRK3/NTRK1基因的表達為特征，在發(fā)育和成年的人DRG中均特異性存在。同時，研究發(fā)現(xiàn)，hDRGOs也存在該類感覺神經(jīng)元亞型，進一步聯(lián)合鈣成像，證明了這類感覺神經(jīng)元可以被辣椒素特異激活，并通過體外實驗明確了這類細胞是傷害感受器的一種亞型。進而，研究利用DRG類器官模型驗證了多種轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控感覺神經(jīng)元分化譜系中的作用，表明了類器官在人類感覺神經(jīng)元發(fā)育和功能研究中的價值。上述工作基于人類DRG發(fā)育過程的解析研究，建立了人類背根神經(jīng)節(jié)類器官模型，在體外模擬感覺神經(jīng)元多樣性和功能建立過程，并應(yīng)用類器官剖析了人類感覺神經(jīng)元發(fā)育調(diào)控和人性進化上的特征。這一工作為人類胚胎背根神經(jīng)節(jié)研究提供了時空轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。同時，該工作建立的人類背根神經(jīng)節(jié)類器官模型，對感覺神經(jīng)元發(fā)育和相關(guān)疾病的研究具有重要意義。論文鏈接人類背根神經(jīng)節(jié)時空發(fā)育機制和類器官模型構(gòu)建