哺乳动物大脑包含数百种具有不同分子特征、空间位置和功能的细胞类型。这些丰富多样的细胞如何从数量有限的祖细胞中产生，并逐步构建复杂的脑区结构，是神经发育领域的核心问题之一：不同细胞之间存在怎样的谱系关系？这些关系如何随发育阶段变化，又与细胞的分子特征和空间分布有何联系？
近年来，单细胞RNA测序和空间转录组学推动了大脑细胞图谱的快速发展，使研究人员得以识别细胞类型、刻画分子状态并了解其解剖分布。但分子特征相似或位置相邻的细胞未必具有共同祖先，同一祖细胞的后代也可能形成不同细胞类型、分布于不同脑区。谱系追踪因此成为揭示这些发育联系的关键维度。然而，既往相关研究主要集中于大脑皮层，对其他前脑区域仍缺乏系统解析。
2026年9月30日，加州大学旧金山分校（UCSF）Tomasz J. Nowakowski团队联合Allen Institute Hongkui Zeng团队及UCSF Arturo Alvarez-Buylla教授等研究人员在Nature上发表了文章Spatiotemporal Clonal Architecture of the Newborn Mouse Forebrain，整合高通量谱系追踪、单细胞RNA测序与空间转录组学，绘制了覆盖大脑皮层、纹状体、丘脑、海马和嗅球五个主要区域的新生小鼠前脑时空谱系图谱。
给脑细胞贴上“家族条形码”
要确认细胞之间的“亲缘关系”，需要一种能够随细胞分裂传递的标记。研究团队采用高复杂度谱系条形码系统STICR，通过携带不同分子条形码的慢病毒标记祖细胞，其后代会继承相应条形码。这样，研究人员在读取单细胞转录组的同时，也能够识别具有共同祖先的细胞群，即“克隆”。
团队分别在小鼠胚胎第11天(E11)至第17天(E17)以及出生当天(P0)进行标记，并统一于出生后第4天（P4）取材。研究共采集约76.6万个细胞；经质量控制后，获得约41.6万个同时具有转录组和谱系条形码信息的细胞，并识别出近29万个克隆，其中约6万个包含多个细胞。
团队还首次建立了P4小鼠全脑MERFISH空间转录组图谱，涵盖79张脑切片、约930万个细胞。通过将空间数据与单细胞测序定义的细胞类型对应，研究人员进一步确定相关细胞群的解剖分布。
由此，这项研究建立的不只是“有哪些细胞”的细胞类型图谱，而是一张同时包含发育时间、谱系关系、分子状态和空间位置的前脑发育地图。
不同细胞类型呈现不同的谱系组织方式
在统一的图谱框架下，不同细胞类型呈现出不同的谱系组织和区域分布特点。多数谷氨酸能神经元的克隆相对局限于单个脑区，而部分GABA能神经元的克隆可跨越多个区域。胶质细胞也表现出类似差异：星形胶质细胞通常具有较强的区域限制性，而少突胶质前体细胞（OPC）的克隆分布更为广泛。
神经元与胶质细胞之间的谱系联系同样随脑区和发育阶段变化。在部分脑区和细胞群中，一些谷氨酸能神经元与星形胶质细胞表现出较明显的克隆联系，部分GABA能神经元与OPC之间也存在更明显的克隆关联。这些关系具有明显的区域和时间特异性，体现出前脑谱系组织的多样性。
跨脑区GABA能神经元与ASD/NDD相关分子特征
谱系信息与单细胞转录组的联合解析，使研究人员可以进一步比较不同谱系细胞群的分子特征。
研究发现，部分GABA能神经元克隆——包括表达Meis2和Sp8的细胞群——可以同时分布于皮层、纹状体和嗅球等不同区域。与局限于单一区域的克隆相比，这些广泛分布的克隆通常更大、分子状态更丰富，并对应更宽的发育时间窗口。
进一步的转录组比较显示，广泛分布克隆中上调的基因显著富集于自闭症谱系障碍（ASD）及其他神经发育障碍（NDD）相关基因集，同时也包括一批与细胞迁移相关的基因。
这一结果将细胞的谱系分布特点与疾病相关分子特征联系起来，为研究ASD/NDD相关基因在神经发育过程中的作用提供了新的线索，也体现了这一谱系图谱在连接发育谱系与分子机制方面的价值。
纹状体展现丰富的时间与谱系结构
由于以往谱系研究更多集中于大脑皮层，这项工作也为多个皮层下区域提供了新的发育信息。在纹状体中，研究人员解析了不同中型棘状神经元（medium spiny neuron，MSN）亚型的发育时间窗口及谱系关系。例如，腹侧D2 MSN的生成时间窗口比背侧D2 MSN更长；表达Oprm1的神经元则与嗅球抑制性神经元表现出更明显的克隆共享。研究还发现，晚期标记的纹状体MSN与星形胶质细胞大多属于不同克隆，并分别与不同嗅球细胞群存在谱系联系，显示出纹状体内部复杂的时间和谱系结构。
捕捉出生前后的细胞生成变化
通过比较不同时间点的谱系标记，这张图谱还捕捉到了出生后仍在持续的部分神经生成过程。除海马和嗅球外，团队在侧脑室背外侧上方的白质区域也检测到出生后新产生的谷氨酸能神经元，并通过细胞增殖标记和免疫染色进行了验证。图谱同时揭示了胶质细胞随发育阶段发生的变化。例如，产前和出生后产生的部分OPC具有不同的转录特征和空间分布，提示同一大类细胞在不同发育阶段也可能呈现不同的分子状态。
从“细胞类型图谱”走向“发育家谱”
单细胞和空间组学不断丰富着人们对大脑细胞多样性的认识，而谱系信息则进一步揭示了这些细胞之间的发育联系。
这项研究将谱系分析从以大脑皮层为中心拓展至多个主要前脑区域，建立了可供不同脑区、细胞类型和发育阶段相互比较的参考框架。谱系关系与单细胞转录状态的联合解析，也为寻找不同谱系对应的分子特征，以及研究细胞命运分化、迁移和成熟的调控机制提供了新的线索。
未来，这一资源还可进一步与表观基因组、基因调控网络和疾病模型相结合，用于研究发育异常如何影响特定细胞谱系及其分子状态。
通过将几十万个脑细胞的“家族关系”与分子身份、发育时间和空间位置联系起来，这张新生小鼠前脑时空谱系图谱将过去相对分散的细胞类型和脑区纳入同一个发育框架，为理解复杂前脑结构如何从有限的祖细胞中逐步形成提供了新的参考，也为未来研究神经发育异常提供了基础资源。
UCSF神经外科系Tomasz J. Nowakowski教授为论文通讯作者，博士后袁国华为第一作者。该研究由Nowakowski团队与Allen Institute的Hongkui Zeng团队合作完成，并得到UCSF Arturo Alvarez-Buylla教授的重要指导。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-026-11064-8
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来源：BioArt
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