第15篇HD文章--人类视交叉上核的空间和单细胞转录组图谱

作者，Evil Genius

这2天搜了一下关于HD的文章，2026年至今已经涌现了十几篇，总发文量应该已经达到30篇了，我们都来看看，总结总结。

而且看到的HD文章，几乎全是多组学文献，看来多组学的趋势，各位研究人员是别想逃开了。

今天我们分享的文献，这位大佬有认识的么？其实从看文献的角度看，国内的科研实力绝对是毋庸置疑的。

知识积累

研究背景与意义：视交叉上核（SCN）是哺乳动物昼夜节律的中央起搏器，其功能异常与多种疾病（如神经退行性疾病、抑郁症）和行为（如晨型/夜型偏好）相关。然而，现有知识多基于啮齿动物，人类SCN的具体结构、细胞类型和分子机制尚不明确。

研究方法与创新：该研究首次结合空间转录组学、单核RNA测序（snRNA-seq） 和深度学习组织学分析，构建了成人SCN的全面分子与细胞图谱。这种方法克服了人类SCN体积小、难以识别的难题。

将SCN转录组数据与全基因组关联分析（GWAS）数据整合，发现表达精氨酸加压素（AVP） 和神经介肽S（NMS） 的神经元亚型，很可能是决定人类晨型昼夜节律表型的神经基础。

结果1、人类视交叉上核的空间转录组与细胞结构重建

visium + visium HD + MERFISH。

神经元计数：通过手动注释，研究人员估算了两个样本中单侧SCN的神经元数量。

SCN组织学特征：通过分析发现，人类SCN主要由小型神经元组成，并且区域内缺乏穿过的轴突。

血管网络分析：对血管进行了三维重建，揭示了下丘脑前部的血管分布。关键发现是：代表SCN（ST10）和OVLT（ST6，即终板血管器）的转录组簇富含血管，且两者通过血管直接相连。这提示在小鼠脑中存在的SCN-OVLT静脉门脉系统可能同样存在于人类。

结果2、人类SCN区域的细胞类型转录组分析

snRNA + 单细胞空间联合。

结果3、视交叉上核（SCN）转录组的跨物种比较

人类snRNA-seq数据与小鼠SCN的scRNA-seq数据进行了整合。

人类特异性基因：发现995个基因（如 NTS、COL4A6、ANO1、SCTR）仅在人类SCN中作为标志基因高表达，而在猕猴、狒狒和小鼠中均不表达。这表明NTS在SCN中的表达是人类独有的特征。

灵长类特异性基因：识别出240个灵长类（人/猴）共有、但小鼠没有的SCN标志基因。其中包含GABA受体（GABRA1, GABRB2），这支持了昼行性动物（灵长类）的光信号输入可能通过GABA能抑制机制与夜行性动物（小鼠）不同的观点。

啮齿类特异性基因：338个基因（如 CCK, PENK, SOX2）仅是小鼠SCN的标志基因，提示这些基因的表达模式可能是在啮齿类演化中特化的。

高度保守的核心基因：鉴定出105个在四个物种中共同表达的SCN标志基因，主要包括核心生物钟基因（如 PER2, RORB）、神经肽信号基因（如 VIP, VIPR2）和突触信号基因（如 SYT10），代表了SCN古老且基础的功能。

结果4、人类视交叉上核内部的神经元亚型划分与基因表达梯度

将人类SCN所有神经元划分为7种亚型：AVP/NMS、NTS/AVP、NPY/LHX1、VIP/GRP、VIP/NPY1R、VIP/VIPR2 和 ONECUT1/2。

将这7种神经元亚型映射到Visium和Visium HD数据上。SCN亚型标志基因的空间表达通过MERFISH得到了进一步验证。利用Visium数据对这7种神经元亚型在SCN中进行三维重建，揭示了它们在三维空间中的特定分布。分析发现，AVP/NMS、NTS/AVP、VIP/VIPR2、VIP/GRP 和 VIP/NPY1R 亚型沿SCN的背腹轴依次分布于从最背侧到最腹侧的子区域。此外，VIP/VIPR2 亚型比其他SCN亚型分布更靠外侧。ONECUT1/2、NPY/LHX1 和 VIP/GRP 亚型位于SCN的后部。因此，人类SCN的每种神经元亚型都占据着SCN中一个独特的子区域。

神经元亚型的保守性与分化（人类/猕猴/小鼠）

研究整合了三物种的SCN神经元转录组，构建了进化关系树，发现：

三个主要保守分支：所有物种的SCN神经元亚型均可归纳为RORB/AVP、ONECUT1/2和VIP/GRP三大分支，表明SCN核心细胞分类在进化上具有深层保守性。

亚型对应关系：

人类VIP/GRP和VIP/NPY1R 小鼠 Vip/Grp / 猕猴 VIP/GRP

人类AVP/NMS 小鼠 Avp/Nms / 猕猴 RORB/MEF2C

人类ONECUT1/2 猕猴 ONECUT1/2（但与小鼠的 Cck/Bdnf 亲缘较远）

灵长类/人类特化亚型：

人类NTS/AVP与猕猴RORB/NMS同源。

人类NPY/LHX1与猕猴NDNF/MEF2C同源。

关键发现：人类的 NTS/AVP 和 NPY/LHX1 亚型缺乏直接对应的小鼠亚型，仅与小鼠 Avp/Nms 有较远的同源关系，提示这两个亚型可能是灵长类（或人类）特有的演化创新。

空间分布的保守性与重组

保守的背腹轴分布：人类 AVP/NMS 和 VIP/GRP 的背腹侧分布模式与其小鼠同源亚型高度相似。

物种特异性重组：人类 VIP/VIPR2 亚型比其小鼠同源亚型（Vip/Nms）分布更偏背侧。在内外侧和前后轴向上也观察到了其他空间分布的重排。

SCN内部的转录组空间梯度

主梯度（PC1）：SCN内约30%的转录组变异由沿背侧到腹侧和后侧到前侧的主梯度解释。

背侧/后部富集基因：AVP、NTS、RORB 等。

腹侧/前部富集基因：VIP 等。

跨物种梯度比较：沿背腹轴的基因表达梯度在人和小鼠间高度保守（如 AVP 和 VIP 的梯度方向一致），但沿前后轴和内外侧的梯度保守性较低，且存在反向梯度（如 GNG2）。

结果5、人类SCN神经元多样性背后的基因调控程序

转录因子（TF）调控活性的保守与变化

保守的TF：少数转录因子在人和小鼠的同源SCN亚型中表现出保守的调控活性（如 NFIB/NFIX 在AVP/NMS亚型；RORB 在特定亚型；LHX1 在VIP/GRP等亚型；ONECUT1/2/3 在ONECUT1/2亚型）。

变化的TF：大多数参与同源亚型调控的转录因子在人与小鼠间是不同的，表明基因调控程序在进化中发生了广泛重塑。

LHX1与RORB：保守的核心调控轴

通过WGCNA共表达网络分析，在人类、小鼠和猕猴SCN中均鉴定出两个保守的基因共表达模块，分别受LHX1和RORB调控：

LHX1模块：富集于人类的 VIP/NPY1R、VIP/GRP、NPY/LHX1 亚型。

RORB模块：富集于人类的 AVP/NMS、NTS/AVP、ONECUT1/2、VIP/VIPR2 亚型。

保守性：两个模块在物种间均保守，其中LHX1模块的保守性更高。模块下嵌套的亚模块对应具体的7种神经元亚型，且保守程度不一。

保守模块的功能与物种差异

LHX1模块功能：保守基因富集于视网膜神经节细胞轴突导向、突触组织等。提示LHX1可能指导早期发育中视网膜输入精准投射至特定SCN亚型。

RORB模块功能：保守基因富集于钾离子稳态和多巴胺转运。

关键分子：两个氯离子转运蛋白基因——SLC12A2 （NKCC1，促GABA兴奋）在RORB模块；SLC12A5 （KCC2，促GABA抑制）在LHX1模块。这暗示RORB与LHX1的平衡可能调控GABA在SCN中的兴奋/抑制功能。

实验验证

共定位验证：MERFISH和免疫组化证实，在人类SCN中，RORB与 VIPR2、NTS 共定位；LHX1与 NPY、GRP 共定位。

物种差异：小鼠中 Avp 与 Rorb 共表达，但 Nts 不表达； Grp 与 Lhx1 共表达，但 Npy 不表达。这印证了人类特有基因（如 NTS）的出现。

功能验证：在 Rorb 基因敲除小鼠中，RORB模块基因（如 Cck）表达下调，而LHX1模块基因不受影响，证实了RORB的特异性调控作用

结果6、人类与小鼠SCN中神经肽信号网络的进化差异

神经肽及其受体的表达变化

总体差异：在人类SCN亚型中鉴定出76种神经肽和110种受体。其中仅34种神经肽和50种受体也在小鼠SCN中特异性表达，而真正在同源亚型间保守的只有12种神经肽和22种受体（如经典的AVP、VIP、GRP等）。

亚型分布重组：许多神经肽的细胞来源发生了改变。例如，在小鼠研究中已知会抑制运动的TGFA，在人类中表达于AVP/NMS等亚型，但在小鼠中却表达于Cck/C1ql3等完全不同的亚型。

SCN内部信号网络的物种特异性

保守的途径：少数核心途径得以保留，包括VIP和AVP的自/旁分泌信号（对节律同步至关重要），以及PENK、PTN等研究较少的通路。

差异的途径：

GRP信号：在人类SCN中，GRP主要来源于VIP/GRP亚型并以自分泌方式作用；而在小鼠中，GRP信号主要靶向其他神经元（如Avp/Nms）。

人类特有途径：NPY信号（从NPY/LHX1到VIP/GRP等亚型）是人类SCN独有的。

小鼠特有途径：PROK2信号在人类SCN中缺失。

SCN输出网络的物种差异

NTS信号的重构：NTS是连接SCN与下丘脑其他区域（如OVLT）的广泛输出信号。MERFISH验证显示，NTS主要表达于人类SCN内部，而在小鼠中则高表达于SCN外的视前区。这提示NTS信号系统的功能在灵长类中可能发生了转变，成为SCN调节下游脑区的重要输出途径。

结果7、人类SCN转录组中的功能和疾病影响

神经元亚型的功能特化（分工）

节律维持与光信号接收分离：与小鼠类似，人类SCN不同亚型存在功能分工。

NTS/AVP 和 VIP/VIPR2 亚型：高表达生物钟基因（如 PER2），富集于昼夜节律、睡眠/觉醒周期等功能，推测主要负责节律的产生与维持。

VIP/GRP 和 VIP/NPY1R 亚型：低表达时钟基因，但高表达谷氨酸突触传递相关基因（作为视网膜神经节细胞输入的接收者），且富集细胞粘附分子（CAMs），推测主要负责光信号的接收与输入。

离子通道的保守性

鉴定出多种在亚型间差异表达的离子通道，其中许多（如钾通道 KCNC2 在AVP/NMS亚型，KCND2/3 在VIP/GRP亚型）在小鼠中具有保守的亚型特异性表达。这提示通过小鼠研究揭示的离子通道调控SCN神经元放电率及昼夜节律行为的功能，可能同样适用于人类。

疾病与表型关联（GWAS富集分析）

SCN富集的疾病/表型：将GWAS数据映射到空间转录组发现，与SCN（ST10）显著相关的包括晨型/昼夜节律偏好、偏头痛、抑郁症、阿尔茨海默病（AD） 及体重/视觉发育等。

“晨型”的神经基础：

空间定位：与“晨型vs夜型”及“晨型倾向”相关的基因在SCN中的表达显著高于周围区域，且在SCN内部沿背腹轴和前后轴呈现梯度分布。

细胞定位：在单细胞层面，这些时型相关基因（如 NOL4, PER2, AVPR1A）显著富集于位于SCN背侧的AVP/NMS神经元亚型。

功能联系：结合小鼠研究（AVP神经元主导相位领先，其时钟受损会延长自由运行周期），提示人类AVP/NMS神经元的功能变异可能是决定“晨型”表型的关键神经机制。

最后来看看方法

visium的质控

visium HD的基础处理

单细胞空间联合

细胞通讯

WGCNA

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