期刊：Nature Neuroscience（IF20.3）

DOI：10.1038/s41593-026-02316-x

时间：2026.7.3

研究背景

后脑包括中脑、小脑、脑桥和延髓，控制运动、呼吸和觉醒等基本功能，其发育异常与中脑/后脑畸形、自闭症谱系障碍及小儿脑肿瘤相关。现有脑类器官多集中于大脑皮层，后脑细胞类型多样性不足；两种常用中脑类器官方案的区域特异性也缺乏单细胞水平评估。因此，亟需构建人类后脑类器官发育的多组学图谱，解析其细胞多样性、染色质动态和基因调控逻辑。

关键发现

本研究利用人诱导多能干细胞(iPS)后脑类器官，结合多组学、基因编辑技术等，阐明了后脑发育与区域化机制，核心发现如下：

脑神经类器官发育图谱：采用两种后脑/中脑类器官方案、三种iPS细胞系，鉴定出神经祖细胞、神经母细胞、中间祖细胞、多巴胺能、GABA能、谷氨酸能、甘氨酸能神经元、浦肯野细胞、星形胶质细胞、神经嵴衍生细胞和间充质细胞等。发现两种“中脑”方案均产生大量后脑/菱脑细胞，类器官细胞在转录组和染色质主题上与原代人脑发育细胞高度相似；

基因调控网络：cisTopic分析鉴定出49个共可及区域主题和74,299个细胞类型差异可及区域，21/49个调控主题显著差异可及。未发现泛神经元可及区域簇，提示全基因组染色质动态对神经元亚型特化至关重要。推断出393个转录因子，包括384个正调控、308个负调控子，关键因子包括LHX1、OTX2、FOXA2；

基因编辑敲除验证：靶向12个转录因子的基因编辑敲除实验，在day30和day70进行scRNA-seq和gRNA测序，结果显示，OTX2敲除使细胞向菱脑/后脑转变；EBF3敲除导致神经祖细胞富集，突触相关基因下调；MYT1L敲除使星形胶质细胞增多；ONECUT2敲除导致神经元减少、星形胶质细胞增多，胶质生成上调、突触传递下调，证明后脑区域身份和细胞命运受特定转录因子网络调控；

形态发生素筛选：设计48种形态发生素组合，对43个条件进行单核RNA-seq，分析177718个细胞，鉴定25种细胞类型。BMP4背侧化并增加腹侧中脑祖细胞和多巴胺能神经元；RA促进后侧/腹侧细胞类型；BMP4+RA产生背侧后部细胞。筛选获得小脑LHX9+谷氨酸能、脑桥及背侧/腹侧延髓等代表性不足细胞。

研究意义

· 构建了人类后脑神经类器官发育的单细胞多组学图谱，揭示了后脑区域特化与细胞命运决定的转录因子网络及形态发生素调控规律，为脑发育机制研究、疾病建模等提供了理论基础。