Nature?|?神經嵴命運的時間坐標：遷移之前，命運已定

撰文 | 阿童木

細胞命運如何被建立并最終固定，是發育生物學中的核心問題。Waddington提出的“景觀模型（landscape model）”將這一過程比作小球沿山谷滾落：祖細胞隨著發育推進逐步失去潛能，最終進入穩定且難以逆轉的分化狀態。這一過程通常表現為兩個階段：早期細胞雖已出現命運偏向，但仍保留一定可塑性；而在后期，命運被穩定鎖定，難以再被外界環境重塑。

神經嵴為研究這一問題提供了理想體系。作為脊椎動物特有的短暫胚胎細胞群，神經嵴能夠產生外周神經元、膠質細胞、顱面骨骼和平滑肌等多種組織【1】。然而，其發育過程高度動態：細胞出現早、增殖速度快、遷移距離遠，并在遷移過程中持續響應局部信號【2】。因此，一個長期存在的關鍵問題是：神經嵴細胞的命運，究竟是在脫層前已被限定，還是在遷移過程中逐步建立。

早期基于禽類嵌合實驗的研究曾給出相互矛盾的結論。一部分研究認為，多數神經嵴細胞在脫層時已具備命運限制；而另一部分則支持其在遷移過程中仍保持廣泛多能性。要解決這一分歧，關鍵在于以單細胞分辨率重建細胞譜系。近年來，體細胞嵌合變異被視為天然“條形碼”，可在細胞分裂過程中穩定傳遞，從而用于追蹤克隆來源【3】。這一策略為解析神經嵴命運的時間與空間組織提供了新的技術路徑。

近日，加州大學圣地亞哥分校Joseph G. Gleeson和楊曉旭等在Nature雜志發表了題為Developmental organization of sensory and sympathetic ganglia的研究文章，結合CRISPR條形碼譜系追蹤、人類體細胞嵌合變異分析以及活體成像，系統重建了感覺神經節與交感神經節的發育譜系關系。結果顯示，背根神經節（DRG）與交感神經節（SG）來源于不同祖細胞群，且神經嵴細胞在脫離神經管之前已產生明確的命運偏向，而非在遷移過程中再行決定。同時，神經嵴細胞在神經管內即沿頭尾軸擴散，這一過程依賴成纖維細胞生長因子（FGF）信號調控。上述發現共同指向一個新的發育框架：神經嵴細胞命運的決定早于遷移過程本身。

作者首先利用Sox10-Cre驅動的Homing CRISPR條形碼小鼠，對單個神經節進行譜系追蹤，并據此構建系統發育樹。結果顯示，背根神經節與交感神經節分別形成獨立聚類，條形碼編輯事件主要局限于單一神經節類型，而很少在兩者之間共享。進一步使用多西環素誘導的DARLIN系統進行獨立驗證，得到一致結果：同類型神經節沿頭尾軸具有共同譜系關系，而不同類型之間則缺乏交叉。這些結果表明，大多數神經嵴細胞在脫層時已限定為單一神經節類型，難以支持“廣泛多能、遷移后再決定命運”的經典模型。

為了確定命運偏向出現的時間窗口，作者對胚胎第8.5至9.5天的神經嵴細胞進行了單細胞轉錄組分析。結果顯示，在E8.5階段，部分神經嵴祖細胞已共表達多種感覺譜系相關轉錄因子，并更傾向于表達早期神經嵴標記Zic1，而非脫層相關標記Sox10。與此同時，一部分細胞已表達交感譜系相關轉錄因子。RNA速度分析進一步揭示，這些轉錄程序在該階段已呈現明確的分化趨勢。上述結果表明，神經嵴細胞的命運偏向在胚胎第8.5天，脫層發生之前即已建立。

在人類樣本中，研究者利用三名供體的體細胞嵌合變異對神經節譜系進行解析。從頸段、胸段和腰段共分離出近200個神經節，并通過全基因組測序與超深度擴增子測序篩選出超過1200個可靠嵌合變異。單核RNA測序顯示，這些組織中約80%的細胞為神經嵴來源。在兩名供體中，超過30%的嵌合變異在背根神經節與交感神經節之間呈現顯著等位基因頻率差異，證實嵌合變異條形碼分析可有效解析人類神經節的克隆關系。

基于這些變異構建的“地理克隆圖”顯示，大量嵌合變異在跨節段的同類型神經節之間共享，但在同一節段的背根神經節與交感神經節之間則很少共享。約三分之一的變異特異富集于某一神經節類型。進一步分析發現，變異在背腹方向的分布差異顯著高于頭尾方向，提示同類型神經節在不同節段之間具有更高的克隆相似性，而同一節段的不同神經節類型則在譜系上相對獨立。層次聚類和自舉分析均支持這一結論，表明背根神經節與交感神經節在發育早期即來源于不同祖先群體。

基于上述譜系關系，作者進一步檢驗命運決定發生的時間。分析發現，大多數嵌合變異在左右兩側之間差異較小，但在背根神經節與交感神經節之間差異顯著，且雙側共享的變異通常僅限于單一神經節類型。通過對等位基因頻率的建模，作者估算了命運特化與脫層時的細胞群體規模，結果顯示，命運定向時的細胞數量顯著小于脫層時的細胞數量。基于超幾何分布的模擬進一步支持這一結論。整體來看，這些結果表明，大多數神經嵴細胞在脫層之前已完成命運特化，而非在遷移過程中再進行選擇。

在單細胞層面，作者利用ResolveOME技術對神經節細胞進行聯合基因組與轉錄組分析。系統發育分析顯示，超過一半的末端分支包含來自不同節段的細胞組合，且無論細胞類型如何，背根神經節與交感神經節的細胞均分別聚類。統計分析表明，同一交感神經節內的細胞配對顯著高于隨機水平，而同一節段內不同神經節類型之間的配對則顯著低于隨機預期。這進一步說明克隆關系主要沿頭尾軸跨節段分布，而非局限于同一節段內的不同神經節類型。

為了直接觀察神經嵴細胞的遷移行為，研究者在鵪鶉胚胎中進行了實時成像。結果顯示，約20%的神經嵴細胞在脫層前即跨越中線到達對側，約21%的細胞沿頭尾軸跨越多個體節遷移。進一步研究發現，成纖維細胞生長因子受體在脫層前神經嵴細胞中高度表達。抑制FGF信號后，跨節段遷移顯著減少，細胞遷移方向由頭尾軸轉向內外側軸，但總體遷移距離并未顯著改變。這表明FGF信號在調控神經嵴細胞沿頭尾軸擴散中發揮關鍵作用。

最后，作者通過比較嵌合變異在不同空間維度的分布模式，對兩種模型進行了檢驗。一種模型認為神經嵴細胞在遷移過程中仍保持多能性，另一種則認為細胞在遷移時已具備命運特化。結果顯示，大多數嵌合變異在背根神經節與交感神經節之間差異顯著，而在不同節段之間差異較小。這一模式支持前者被否定，表明神經嵴細胞在遷移過程中已處于命運特化狀態，而非保持廣泛多能性。

綜上所述，本研究提出了一個不同于經典模型的發育框架：神經嵴細胞在脫離神經管之前已形成明確的命運偏向，并在此基礎上沿頭尾軸擴散，而少數細胞則可能保留有限的多能性。命運的決定，并非發生在遷移終點，而是在細胞踏上遷移路徑之前。

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10313-0

制版人： 十一

參考文獻

1. Bronner, M. E. & LeDouarin, N. M. Development and evolution of the neural crest: an overview.Dev. Biol.366, 2–9 (2012).

2. Le Douarin, N. M. & Dupin, E. The “beginnings” of the neural crest.Dev. Biol.444, S3–S13 (2018).

3. Chung, C. et al. Cell-type-resolved mosaicism reveals clonal dynamics of the human forebrain.Nature629, 384–392 (2024).

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