《Developmental Biology》：The neural plate border: multipotent progenitors or cells of mixed identity?
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本文聚焦神經板邊緣（NPB）細胞，探討其究竟是多能祖細胞還是混合身份細胞。通過回顧過往研究，結合最新單細胞分析，深入剖析 NPB 細胞命運決定機制，為研究細胞分化及相關領域提供關鍵信息，極具學術價值。
引言
神經嵴細胞和感覺基板是脊椎動物特有的胚胎細胞群。神經嵴細胞起源于背神經管，遍布全身；感覺基板源自非神經表面外胚層，主要存在于頭部。它們共同構成外周神經系統，在發育過程中，二者都起源于神經板邊緣，這里還混雜著中樞神經系統（CNS）和表皮的祖細胞。
神經板邊緣的細胞如何分化成多種細胞類型，一直是眾多研究的焦點。近年來，神經板邊緣備受關注，因其細胞可發育成整個神經系統，是研究細胞命運決定的理想系統，還可能是多能祖細胞的潛在來源。鳥類胚胎在相關研究中貢獻突出，其便于實驗操作，發育速度適宜，解剖結構與人類胚胎相似，且成本較低，隨著新技術的應用，成為探索相關問題的首選模型。
此前關于神經板邊緣細胞命運分離的信號和轉錄因子網絡已有諸多綜述，但多基于細胞群體分析。近期利用雞和爪蟾進行的單細胞研究，為神經板邊緣基因表達提供了更詳細的信息，并在單細胞水平提出了不同的命運決定模型。
神經板邊緣的細胞組成及命運
神經板邊緣包含 CNS、神經嵴細胞和顱感覺基板的前體。神經板是 CNS 的原基，在胚胎外胚層中誘導形成，雞胚胎中，神經板在頭部突起階段（HH5）形態上開始明顯區分。隨著發育，神經褶隆起，神經板內陷形成神經管，進而發育成整個 CNS 。神經嵴細胞起源于神經褶，HH9 開始從神經褶分層并遷移到全身各處，分化為多種細胞類型。感覺基板祖細胞主要位于神經板外的外胚層，局限于頭部，先形成感覺基板，再發育成內耳、晶狀體、嗅上皮等多種結構 。
通過對鳥類胚胎的研究繪制了命運圖譜。早期原條階段（HH2），神經前體廣泛分布，神經板邊緣區域難以界定。到 HH3/4，神經嵴和基板前體廣泛分布，與未來神經和表皮細胞重疊。之后，隨著細胞向中線匯聚，神經嵴和基板細胞逐漸局限于神經板周圍的新月形區域，與 CNS 和表皮前體混合。雖然不同階段細胞命運逐漸明確，但即使在較晚階段，相鄰細胞仍可能產生不同身份的細胞。對單個細胞的追蹤研究發現，神經板邊緣的單個細胞在較晚階段仍能分化為多種組織類型，表明其具有多能性。
神經板邊緣細胞的基因表達特征
神經板建立時，神經標記基因如 Sox2 和 Sox21 在胚胎外胚層中心表達，與前神經標記基因和未來神經嵴標記基因重疊。外側外胚層則表達非神經因子。這些轉錄本的表達域在神經板邊緣重疊。在原條階段，前神經、神經和非神經基因在胚胎外胚層廣泛重疊，隨著神經板邊緣細胞匯聚，沿前后軸的分子分區開始出現。
隨著發育到 HH7，基因表達域更加精細。許多基因曾被視為神經板邊緣標記基因，但它們的表達模式存在差異，如 Msx 和 Pax 家族成員的表達并不涵蓋整個神經板邊緣，因此不應作為通用標記。此外，神經板邊緣沿前后軸存在差異基因表達，不同區域表達不同基因組合，隨著基板形態的形成，基因表達域進一步細化。這些都表明神經板邊緣細胞在早期就是異質性群體。
神經板邊緣細胞的命運決定實驗
經典兩棲類胚胎實驗和鳥類胚胎實驗表明，神經與非神經外胚層的相互作用對神經嵴細胞誘導至關重要，確定了神經板邊緣是神經嵴細胞的起源地。
在雞胚胎的研究中，原條階段的雞胚外胚層組織在中性條件下培養，只有神經板邊緣細胞能產生神經嵴細胞。對基板祖細胞的研究發現，HH5/6 階段不同位置的神經板邊緣外胚層細胞在單獨培養時表達基板祖細胞標記，但這些研究未涵蓋神經板邊緣的所有衍生物，其相對指定時間仍未知。不過，這些實驗共同證明了神經板邊緣細胞具有獨特性質。
單細胞分析揭示的神經板邊緣細胞特征
近期對雞和爪蟾的單細胞 RNA 測序（scRNA-seq）研究發現，神經板邊緣細胞存在顯著異質性，且存在 “命運特異性” 基因的共表達現象，這表明神經板邊緣細胞處于 “未決定” 的轉錄狀態，可能是多能祖細胞。
對雞神經板邊緣細胞不同發育階段的轉錄譜分析顯示，細胞多樣性隨時間增加，“命運特異性” 標記逐漸局限于特定細胞簇。在早期體節階段（ss4 - 8）可清晰識別多種細胞狀態，但在 HH4 - 6，單個外胚層細胞的轉錄特征不明顯。研究基因表達動態發現，“基板模塊” 最早出現，這似乎支持二元決策樹模型，但其他數據又顯示出相反的細胞命運決定順序。利用計算方法預測細胞狀態轉換，發現細胞命運決定是一個持續的過程。
爪蟾的單細胞分析表明，其神經嵴特異性細胞出現時間早于雞，且神經板邊緣細胞存在異質性和 “干細胞樣” 細胞群體，提出 “雙匯聚” 模型，與雞的相關研究結果相互印證，都表明細胞命運決定是一個長期過程，細胞根據位置面臨不同選擇。
神經板邊緣細胞的異質性
傳統觀點認為神經板邊緣細胞是等同的，但單細胞水平的基因表達分析表明并非如此。神經板邊緣細胞異質性體現在多個方面：并非所有細胞共表達相同基因模塊；沿前后軸不同位置的細胞面臨不同命運選擇；同一軸向水平的細胞也存在異質性。
對神經板邊緣細胞轉錄因子的研究發現，單個細胞可共表達不同轉錄因子組合，且其表達水平可能影響細胞最終命運。大規模轉錄譜分析也顯示，早期不同細胞類型的基因模塊廣泛共表達，這表明神經板邊緣細胞在轉錄上是 “未決定” 的，具有產生多種外胚層衍生物的潛力，部分細胞可能保留多能性。
神經板邊緣細胞的多能性及命運決定機制
現有證據表明神經板邊緣細胞是多能的 “不穩定” 祖細胞，可共表達不同細胞類型的基因模塊，這種狀態至少持續到 4ss。
細胞命運決定可能是每個祖細胞隨時可產生所有可能命運，也可能是連續的二元選擇。計算模型和細胞偽時間排序預測細胞主要面臨二元選擇，但這些決定是一個長期過程，涉及基因表達的逐漸變化。轉錄因子之間的交叉抑制作用在細胞命運決定中起關鍵作用，如 Sox2 和 Pax7、Six1 和 Eya2 之間的相互作用，但這些相互作用的直接性以及細胞如何在共表達轉錄因子時確定命運仍有待研究。
結論
盡管對神經板邊緣細胞命運決定的研究已取得諸多進展，但仍有許多問題未解決。單細胞分析為神經板邊緣細胞研究提供了深入見解，表明其轉錄特征具有異質性，細胞命運決定是一個復雜的、持續的過程。未來需要進一步實驗研究，尤其是單細胞譜系追蹤，以明確細胞命運決定的時間和地點，深入了解控制細胞命運決定的基因調控網絡。
