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      1. Cell封面:科學家首次揭示人類特有高清視覺的基因秘密
        學術經緯 · 2019/02/26
        許你一個光明的未來。

        本文轉載自“學術經緯”。

        頂尖學術期刊《細胞》上周出爐的一期,封面格外吸引人的“眼球”:我們人類的一位大兄弟正聚精會神地“看”著什么……


        ▲最新一期《細胞》封面(封面圖作者:Anna Hupalowska博士)

        榮登封面的這項研究成果來自哈佛著名神經科學家Joshua Sanes教授領銜的科學家團隊。研究人員采用高通量單細胞基因測序的方法,首次創建了靈長類動物的視網膜細胞型態分類圖譜,揭示為我們帶來敏銳視覺的細胞有哪些特殊的基因特征。這項研究同時為理解人類視覺在疾病情況下如何被破壞提供了重要的基礎。


        中央凹:讓我們看得清清楚楚明明白白真真切切

        人類的視覺在哺乳動物中出類拔萃,比如我們能夠閱讀,分辨人臉。這些功能可不簡單,需要視覺能夠分辨極細微的差異,并能迅速對焦。高清視覺全得歸功于視網膜中間一個極小的特殊區域——中央凹,也就是眼底黃斑的中心。中央凹的直徑不到1.5毫米,面積只占視網膜的不到1%,但大腦獲得的視覺信息卻有50%來自這里。

        中央凹的特殊,還不僅是因為視線的“焦點”落在此處提供清晰影像,要知道哺乳動物中只有部分靈長類生物進化出了這個結構,比如人類。


        ▲“那中央凹(fovea)是個稀罕物,豈是什么生物都能有的?” (圖片來源:參考資料[1])

        中央凹為人類提供了絕佳視力的同時,卻讓科學家在解決人類視覺疾病時面臨一個難題。就拿實驗“勞模”小鼠來說,雖然它們為人類的科學研究提供了無數疾病模型,但它們“鼠目寸光”,視網膜沒有中央凹!這種 “先天缺陷”讓它們在視覺相關疾病的模型上幫不上什么忙。再加上中央凹結構太微小了,過去科學家在靈長類動物上的研究也止于形態解剖學的描述。

        而這一次,科學家們終于可以對中央凹的組成及其獨特性有系統的認知!

        來自獼猴165000個細胞的信息

        本研究的第一作者彭懿蓉博士與她的同事們首先從人類的靈長類親戚食蟹猴(一種獼猴)中采集了165000個視網膜細胞,進行單細胞測序分析。這些細胞一大半來自中央凹,其余一半來自周圍視網膜,以此對兩個部位的細胞進行系統分型以及計算對比。


        ▲本研究的通訊作者Joshua Sanes教授(左,圖片來源:Harvard官網)和主要作者彭懿蓉博士(中)、Karthik Shekhar博士(右)

        最終,他們在中央凹和外周視網膜中均鑒定出了近70種不同類型的細胞,并且還知道了每一個類型的細胞表達哪些基因。

        詳盡的細胞分類圖譜給科學家們提供了許多過去不知道的信息。用Sanes教授的話說,“我們現在弄清楚了中央凹特別在哪里。”


        ▲中央凹的細胞和外周視網膜類型相似,但組成卻不同 (圖片來源:參考資料[1])

        盡管細胞類型九成相同,但中央凹和外周視網膜的細胞類型組成不同。更關鍵的是,在同類型的細胞中,中央凹處的細胞檢測到表達與外周不一樣的基因。非常有意思的是,這些基因的表達和中央凹獨特的視覺信息處理極為相關,科學家們相信,可能這才是中央凹功能特殊的原因。

        例如,在靈長類視網膜中,有一類叫作“小神經節細胞”的神經元負責從中央凹向大腦發送信號,它們也是中央凹神經節細胞中占絕大多數的一類。在靈長類實驗中發現,這類細胞特異投射的腦區如果發生損傷,高清視覺分辨率會極大下降,因此這類細胞可以說是特異性地決定了高清分辨率。可是,當研究人員試著在小鼠的視網膜中尋找同等類型的細胞時,卻無功而返。也就是說,“鼠目寸光”還不光是因為小鼠缺乏中央凹,更是由于小鼠中缺乏這類向大腦發送信號的獨特細胞。


        ▲在小鼠和食蟹猴之間,視網膜中相比其他類型的細胞,負責向大腦傳遞信號的神經細胞差別尤其大(圖片來源:參考資料[1])

        為研究眼科疾病提供重要基礎

        然而,與小鼠的差異愈加體現了這份來自靈長類親戚的細胞圖譜對人類有著特殊的意義。彭懿蓉博士與同事們在這份細胞圖譜的基礎上,分析了近200個與人類致盲疾病有關的基因。

        例如黃斑變性和糖尿病性黃斑水腫是兩種引起失明的疾病,目前治療手段和效果都不好,是全世界范圍的難題。現在,有了基因表達圖譜,科學家獲得了重要的線索來理解為什么位于黃斑當中的中央凹會受這些致盲性眼病的影響。

        他們發現,與這兩種疾病相關的一些基因只在中央凹細胞中表達。“舉例來講,我們發現一個黃斑變性易感基因在中央凹的感光細胞中有明顯高于周圍感光細胞的表達水平,這正符合它是一種黃斑疾病的事實。”Sanes教授解釋說:“類似地,我們在中央凹的血管上皮細胞以及周細胞中找到兩個糖尿病性黃斑水腫易感基因有高水平表達。”

        同樣的,比對小鼠細胞圖譜,科學家發現這些疾病相關基因要么沒有表達,要么表達在別的細胞中。這個結果再次提示,要攻克某些致盲疾病時,用小鼠檢查這類基因起的作用可能就不夠了。

        因此,正如Sanes教授所說,這項研究帶來的視網膜細胞圖譜可以為將來的疾病研究提供寶貴的資源,幫助后來人在此基礎上探索更好的療法。

        參考資料

        Molecular Classification and Comparative Taxonomics of Foveal and Peripheral Cells in Primate Retina

        Focusing on the fovea

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