结合scRNA-Seq和AI的新工具揭示新神经元细胞类型

　　一种新的、细胞类型特异性的遗传工具系统地鉴定了在果蝇视觉系统的多个发育阶段的大多数细胞类型中唯一表达的基因对。通过将scRNA-seq数据与一种新的算法相结合，该工具帮助发现了果蝇视觉系统中的一种新细胞类型，但也适用于发育中的果蝇视觉以外的其他系统。

　　

鉴于神经元回路的复杂性，细胞类型特异性工具是必要的，以识别和功能表征不同的细胞类型。目前，这些用于研究果蝇的工具——包括广泛使用的GAL4系统——依赖于增强子活性来标记不同的细胞亚群。然而，也存在局限性:基于增强子的GAL4系可能不能反映附近基因的表达，而且所涉及的筛选既费时又费力。现在，通过将scRNa-seq数据输入到算法中，纽约大学(NYU)的研究人员系统地识别出了在果蝇视觉系统的多个发育阶段的大多数细胞类型中唯一表达的基因对。

其中一对基因导致了一种全新细胞类型的发现——MeSps。“尽管研究果蝇的视觉系统已有很长的历史，但我们以前从未见过这种细胞类型，”纽约大学生物系博士后Yu-Chieh David Chen说。这项工作发表在《PNAS》上。

与人类的860亿个神经元不同，果蝇只有大约10万个神经元。使用基因工具可以区分果蝇不同类型的细胞，这已经彻底改变了大脑神经回路的研究，使科学家能够以精确的方式了解回路的发育、功能和行为。

纽约大学生物学和神经科学教授Claude Desplan博士说:“中枢神经系统的一个特点是不同细胞类型的多样性，这些细胞类型负责许多不同的功能。”

Desplan实验室之前的研究使用单细胞测序来确定在发育中的果蝇的视觉系统中大约有200种细胞类型。根据基因表达和先前的研究，科学家们可以识别出发育中的果蝇视觉系统中200种细胞类型中的大约一半，但他们缺乏一种容易研究和标记其他100种细胞类型的方法。现有的工具可以精确地操纵成年果蝇的神经回路，但往往不能在发育过程中标记相同的神经元，这使得这些工具不适合研究发育中的大脑细胞。

此外，以前识别细胞类型的方法需要对大量候选基因组合进行费力的测试。我们知道我们需要一种更有效的方法来标记特定的细胞类型，并且能够利用越来越多的单细胞测序数据，”Chen说。

Chen和他的同事们创造了一种工具，利用发展中的果蝇视觉系统的大量单细胞测序数据来识别基因和基因组合，这些基因和基因组合只在某些细胞类型中表达。为了确定细胞类型，研究人员通常会寻找遗传标记(特定于细胞类型的单个基因)。但通常一个基因会在多种细胞类型中表达，因此很难用一个基因来区分它们。纽约大学研究人员开发的工具使用了一种略有不同的方法:在一种细胞类型中寻找两个重叠的基因。

更具体地说，作者写道，他们使用现有的发育scRNA-seq数据集“选择用于split-GAL4的基因对，并提供一个高效和预测的管道(scMarco)，在发育过程中的任何时候，基于天然基因调控元件，产生细胞类型特异性的split-GAL4系。”

他们补充说，这些基因特异性的split-GAL4系可以从大量编码内含子MiMIC/CRIMIC系中产生，也可以通过CRISPR敲入产生。

研究人员指出，只要单细胞数据可用，他们的工具也可以用于研究发育中的果蝇的其他系统。此外，寻找标记基因对而不是单个标记基因的逻辑可以应用于其他物种的研究。

他们写道:“我们使用发育中的果蝇视觉系统作为模型来证明scRNAseq引导的基因特异性split-GAL4系在靶向已知细胞类型、注释scRNAseq数据集中的簇以及识别新细胞类型方面的高预测能力。最后，基因特异性split-GAL4系广泛适用于任何其他果蝇组织。”

Desplan说:“这种开创性和高效的方法为神经科学领域提供了特殊的工具，可以高精度地研究发育问题。”

Using single-cell RNA sequencing to generate predictive cell-type-specific split-GAL4 reagents throughout development