Análise celular comparativa do córtex motor em humanos, saguis e camundongos

Nature volume 598, páginas 111–119 (2021) Citar este artigo

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O córtex motor primário (M1) é essencial para o controle motor fino voluntário e é funcionalmente conservado em mamíferos1. Aqui, usando perfis transcriptômicos e epigenômicos de alto rendimento de mais de 450.000 núcleos únicos em humanos, macacos sagüis e camundongos, demonstramos uma composição celular amplamente conservada dessa região, com semelhanças que espelham a distância evolutiva e são consistentes entre o transcriptoma e o epigenoma. As identidades moleculares conservadas do núcleo dos tipos de células neuronais e não neuronais nos permitem gerar uma classificação consensual entre espécies de tipos de células e inferir propriedades conservadas de tipos de células entre as espécies. Apesar da conservação geral, no entanto, muitas especializações dependentes de espécies são aparentes, incluindo diferenças nas proporções do tipo de célula, expressão gênica, metilação do DNA e estado da cromatina. Poucos genes marcadores de tipo celular são conservados entre as espécies, revelando uma pequena lista de genes candidatos e mecanismos regulatórios que são responsáveis ​​por características conservadas de tipos de células homólogas, como as células candelabro GABAérgicas. Essa classificação transcriptômica consensual nos permite usar patch-seq (uma combinação de registros de patch-clamp de células inteiras, sequenciamento de RNA e caracterização morfológica) para identificar células Betz corticospinais da camada 5 em primatas não humanos e humanos e caracterizar suas células altamente fisiologia e anatomia especializada. Essas descobertas destacam os fundamentos moleculares robustos da diversidade de tipos de células em M1 entre mamíferos e apontam para os genes e vias regulatórias responsáveis ​​pela identidade funcional dos tipos de células e suas adaptações específicas da espécie.

Os métodos transcriptômicos e epigenômicos de célula única têm sido eficazes na elucidação da composição celular de tecidos cerebrais complexos a partir de padrões de expressão gênica e mecanismos reguladores subjacentes2,3,4,5,6. No neocórtex de camundongos e humanos, diversos tipos de células neuronais e não neuronais podem ser definidos2,3,5,7 por seus distintos perfis de transcrição e regiões de cromatina acessível ou de metilação do DNA (DNAm)4,8, e podem ser alinhados entre espécies3,9,10,11 com base nesses perfis. Estudos como esses mostraram a viabilidade de estudar quantitativamente a evolução dos tipos de células, mas têm limitações: diferentes regiões corticais foram perfiladas em humanos e camundongos; diferentes conjuntos de transcrições foram capturados com ensaios de célula única e núcleo único; e os estudos transcriptômicos e epigenômicos foram realizados de forma independente.

O córtex motor primário (M1, também conhecido como MOp em camundongos) é uma região ideal para abordar questões sobre a evolução celular em roedores e primatas. M1 é essencial para o controle motor fino e é funcionalmente conservado em mamíferos1. A região da camada 5 (L5) do carnívoro e do primata M1 contém neurônios corticospinais 'gigantocelulares' especializados (células de Betz em primatas12,13,14,15,16) com propriedades de potencial de ação distintas que suportam uma alta velocidade de condução17,18, 19. Algumas células de Betz fazem sinapse diretamente com os neurônios motores espinhais, ao contrário dos neurônios corticospinais de roedores, que fazem sinapse indiretamente via interneurônios espinhais20. Essas observações sugerem que as células de Betz possuem mecanismos intrínsecos adaptados às espécies para suportar uma comunicação rápida que deve ser refletida em suas assinaturas moleculares. Para explorar a conservação evolutiva e a divergência dos tipos de células M1 e seus mecanismos reguladores moleculares subjacentes, analisamos dados transcriptômicos e epigenômicos de núcleo único de M1 de camundongos, saguis, macacos e humanos.

Para caracterizar a diversidade molecular de neurônios M1 e células não neuronais, aplicamos ensaios transcriptômicos de núcleo único (sequenciamento de RNA baseado em placa SMART-seq v4 (SSv4) e baseado em gotículas Chromium v3 (Cv3)) e ensaios epigenômicos (single- sequenciamento de metilcitosina de núcleo 2 (snmC-seq2) e acessibilidade de cromatina de núcleo único e sequenciamento de expressão de RNA mensageiro (SNARE-seq2)) para amostras M1 isoladas de cérebros humanos, de saguis e de camundongos (Dados Estendidos Fig. 1a-d); também aplicamos Cv3 a M1 L5 de cérebros de macacos. Núcleos únicos foram dissociados de todas as camadas combinadas ou de camadas individuais (no caso de ensaios SSv4 humanos) e classificados usando o marcador neuronal NeuN para enriquecer a entrada celular para aproximadamente 90% de neurônios e 10% de células não neuronais (Dados estendidos Fig. 1e). Conjuntos de dados de camundongos são relatados em um artigo complementar5. A detecção mediana de genes neuronais em humanos foi maior quando usamos SSv4 (7.296 genes) em comparação com Cv3 (5.657 genes), em parte devido à profundidade de leitura 20 vezes maior, e a detecção foi menor em saguis (4.211) e camundongos ( 5.046) ao usar Cv3 (Dados Estendidos Fig. 1f–m).