哺乳动物昼夜节律受何影响？这个研究发现了新的神经元亚型

在自然界中广泛存在的昼夜节律，对换节人们一天之中的运动、睡眠、代谢等诸多生理历程起着重要的作用。在人类社会中，昼夜节律紊乱会导致包罗睡眠障碍在内的种种疾病，因此明白昼夜节律现象在神经系统中如何发生、维持以及发挥作用对人类康健具有重要意义。

哺乳动物的昼夜节律是受什么来控制的呢？

事实上，大脑中的视交织上核可以像棱镜一样，把光信号转换为节律信号，而且差别的神经元发生差别相位的振荡，就似乎阳光折射到日晷上，会显示的差别时辰。

2020年2月18日，《自然-神经科学》期刊在线揭晓了题为《小鼠视交织上核基因表达的时空单细胞分析》的研究论文。该研究通过单细胞测序技术对小鼠昼夜节律中枢——视交织上核举行了系统性的细胞分型，发现了新的神经元亚型，展现了这些细胞亚型的基因表达在昼夜节律历程中和光照刺激下的差异，同时在单细胞水平完整重构了各亚型细胞的三维空间漫衍，为研究哺乳动物昼夜节律的神经机制奠基了重要的基础。

该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室严军研究组完成。

现在的研究认为，位于大脑中的视交织上核（Suprachiasmatic Nucleus, SCN）起到了重要作用。SCN能够吸收视网膜通报而来的外界光暗信号，矜持地发生昼夜节律振荡，并将节律信号通报到全身。在分子水平，昼夜节律是由一系列焦点节律基因组成的转录翻译反馈环路（transcription-translation feedback loops, TTFL）所发生。

以往的研究讲明焦点节律基因的表达在SCN的神经元中出现出同步的振荡，而且处于差别空间位置的细胞有差别的振荡相位。有研究指出，SCN细胞表达多种多样的神经肽段和受体，由它们组成的细胞间通讯网络是SCN细胞节律基因表达同步化的重要基础。以往对SCN的研究仅集中于表达VIP和AVP这两种神经肽段的细胞，可是SCN全面的细胞分型、差别细胞类型在SCN中的空间漫衍、以及这些细胞类型在昼夜节律中如何发挥作用现在都不清楚。

严军研究组使用液滴单细胞测序(Drop-seq)、单分子荧光原位杂交（smFISH）和激光显微切割测序（LCM-seq）等技术对差别昼夜时间点取样的小鼠SCN举行分析，通过转录组对SCN举行系统性细胞分型的同时获得了差别细胞类型中基因的节律表达情况，而且重构了这些细胞类型在SCN中的三维空间位置信息。

研究首先发现SCN中包罗室管膜细胞、胶质细胞等在内的种种非神经元细胞和神经元一样都存在广泛的节律基因表达，表示了SCN中的各种细胞都有细胞特异性的节律功效。有趣的是所有非神经元细胞中的焦点节律基因振荡相位都显着晚于神经元中的振荡相位。

A：单细胞测序获得的五个SCN神经元亚型。B：smFISH展示SCN神经元亚型的标志基因的共标效果。C：五个SCN神经元亚型中的节律基因表达。 本文图片均为 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）提供

D：用透明化成像获得的SCN神经元亚型的三维空间漫衍。E：从LCM-seq获得的SCN中基因的三维空间表达。F：这张图寓意SCN作为生物节律焦点起搏器，把光信号转换为节律信号，并发生差别相位的振荡，折射到中国古老的日晷上的差别时辰。

在神经元中，SCN的神经元相对于非SCN神经元有显着更高的焦点基因表达。研究组进一步将SCN中的神经元分为了五种亚型，凭据它们表达的基因划分命名为Avp+/Nms+, Grp+/Vip+, Vip+/Nms+, Cck+/C1ql3+和Cck+/Bdnf+（图A-B）。其中，Avp+/Nms+, Vip+/Nms+和Cck+/C1ql3+三种亚型体现出强烈的节律基因表达（图C）。位于SCN背侧的Avp+/Nms+细胞和位于腹侧的Vip+/Nms+细胞中节律基因表达的相位要领先于位于SCN前侧的Cck+/C1ql3+细胞。通过光刺激实验，本研究发现SCN差别神经元亚型对光照反映有显着差异，其中Grp+/Vip+细胞对光照的反映最为强烈，而Cck+/C1ql3+和Cck+/Bdnf+两类细胞对光反映最弱。这体现了SCN神经元亚型在节律振荡发生与光敏感性上存在功效区分。

最后，本研究通过组织透明化成像完整重构了SCN神经元亚型在SCN中的三维空间漫衍（图D），并通过激光显微切割联合RNA测序技术，展现了SCN内部存在三维空间的基因表达梯度（图E），为SCN细胞亚型的划分以及功效上的空间各向异性进一步提供了证据。

本研究接纳先进的单细胞技术，首次对昼夜节律中枢SCN举行了全面的细胞分型、重构和分析，获得的SCN差别细胞类型，以及神经元亚型的时空基因表达，以及细胞构筑等信息，为研究哺乳动物昼夜节律的神经机制提供了重要的线索。

本事情可以用F图来总结，寓意SCN作为生物节律焦点起搏器，像棱镜一样把光信号转换为节律信号，而且差别的神经元发生差别相位的振荡，折射到中国古老的日晷上的差别时辰。在人类社会中，昼夜节律紊乱会导致包罗睡眠障碍在内的种种疾病，因此明白昼夜节律现象在神经系统中如何发生、维持以及发挥作用对人类康健具有重要意义。

该项事情在严军研究员的指导下，主要由博士研究生温绍昂和马丹宜配合完成，同时课题组的研究助理赵蒙、吴清勤和范钰奇，博士研究生谢路成和朱传镇，高级工程师王海芳，博士后苟凌峰也做出了重要孝敬。本事情获得中科院战略性先导科技专项、上海市科技重大专项、国家自然科学基金委面上项目、国家自然科学基金委和上海市科委青年科学家项目的支持。