Please wait a minute...

Quantitative Biology

Quant. Biol.    2017, Vol. 5 Issue (3) : 210-214     DOI: 10.1007/s40484-017-0116-3
Decoding nervous system by single-cell RNA sequencing
Ganlu Hu, Guang-Zhong Wang()
Key Laboratory of Computational Biology, Chinese Academy of Sciences-Max Planck Partner Institute for Computational Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China
Download: PDF(125 KB)   HTML
Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks

Background: Mammalian brain are composed of a large number of specialized cell types with diverse molecular composition, functions and differentiation potentials. The application of recently developed single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) technology in this filed has provided us new insights about this sophisticated system, deepened our understanding of the cell type diversity and led to the discovery of novel cell types.

Results: Here we review recent progresses of applying this technology on studying brain cell heterogeneity, adult neurogenesis as well as brain tumors, then we discuss some current limitations and future directions of using scRNA-seq on the investagation of nervous system.

Conclusions: We believe the application of single-cell RNA sequencing in neuroscience will accelerate the progress of big brain projects.

Author Summary  The development of single cell RNA sequencing technology enable researchers to profile the expression of large number of genes at single cell level. Based on these information, a comprehensive survey of the list of cell types in a given tissue becomes possible and the marker genes in a specific cell state or developmental stage can be characterized. The application of single cell RNA sequencing in neuroscience has led to very fruitful results. This review summarize the recent applications and findings of single cell RNA sequencing in this field, and highlight its potential challenges and future directions in brain related researches.
Keywords single cell RNA-seq      brain transcriptome      brain cell types     
Corresponding Authors: Guang-Zhong Wang   
Online First Date: 14 August 2017    Issue Date: 24 August 2017
 Cite this article:   
Ganlu Hu,Guang-Zhong Wang. Decoding nervous system by single-cell RNA sequencing[J]. Quant. Biol., 2017, 5(3): 210-214.
E-mail this article
E-mail Alert
Articles by authors
Ganlu Hu
Guang-Zhong Wang
1 Lodato, S. and Arlotta,  P. (2015) Generating neuronal diversity in the mammalian cerebral cortex. Annu. Rev. Cell Dev. Biol., 31, 699–720
doi: 10.1146/annurev-cellbio-100814-125353 pmid: 26359774
2 Liu, S. and Trapnell,  C. (2016) Single-cell transcriptome sequencing: recent advances and remaining challenges. F1000Res, 5, 5.
pmid: 26949524
3 Hashimshony, T., Wagner,  F., Sher, N.  and  Yanai, I.  (2012) CEL-Seq: single-cell RNA-Seq by multiplexed linear amplification. Cell Rep., 2, 666–673
doi: 10.1016/j.celrep.2012.08.003 pmid: 22939981
4 Picelli, S., Faridani,  O. R., Björklund, A. K., Winberg, G. ,  Sagasser, S.  and  Sandberg, R.  (2014) Full-length RNA-seq from single cells using Smart-seq2. Nat. Protoc., 9, 171–181
doi: 10.1038/nprot.2014.006 pmid: 24385147
5 Macosko, E. Z. ,  Basu, A. ,  Satija, R. ,  Nemesh, J. ,  Shekhar, K. ,  Goldman, M. ,  Tirosh, I. ,  Bialas, A. R. ,  Kamitaki, N. ,  Martersteck, E. M. , et al. (2015) Highly parallel genome-wide expression profiling of individual cells using nanoliter droplets. Cell, 161, 1202–1214
doi: 10.1016/j.cell.2015.05.002 pmid: 26000488
6 Shekhar, K., Lapan, S. W., Whitney, I. E.,   Tran, N. M.,   Macosko, E. Z.,   Kowalczyk, M.,   Adiconis, X.,   Levin, J. Z., ,  Nemesh, J.,   Goldman, M.,   McCarroll, S. A.,   Cepko, C. L.,   RegevA., and Sanes J. R., (2016) Comprehensive classification of retinal bipolar neurons by single-cell transcriptomics. Cell, 166, 1308–1323 e1330
7 Masland, R. H.  (2004) Neuronal cell types. Curr. Biol., 14, R497–R500
doi: 10.1016/j.cub.2004.06.035 pmid: 15242626
8 Elston, G. N.  (2003) Cortex, cognition and the cell: new insights into the pyramidal neuron and prefrontal function. Cereb. Cortex, 13, 1124–1138
doi: 10.1093/cercor/bhg093 pmid: 14576205
9 Gao, W. J. and Zheng, Z. H. (2004) Target-specific differences in somatodendritic morphology of layer V pyramidal neurons in rat motor cortex. J. Comp. Neurol., 476, 174–185
doi: 10.1002/cne.20224 pmid: 15248197
10 Markram, H., Toledo-Rodriguez,  M., Wang, Y. ,  Gupta, A. ,  Silberberg, G.  and  Wu, C. (2004) Interneurons of the neocortical inhibitory system. Nat. Rev. Neurosci., 5, 793–807
doi: 10.1038/nrn1519 pmid: 15378039
11 Usoskin, D., Furlan,  A., Islam, S. ,  Abdo, H. ,  Lönnerberg, P. ,  Lou, D. ,  Hjerling-Leffler, J. ,  Haeggström, J. ,  Kharchenko, O. ,  Kharchenko, P. V. , et al. (2015) Unbiased classification of sensory neuron types by large-scale single-cell RNA sequencing. Nat. Neurosci., 18, 145–153
doi: 10.1038/nn.3881 pmid: 25420068
12 Zeisel, A., Muñoz-Manchado,  A. B., Codeluppi, S. ,  Lönnerberg, P. ,  La Manno, G. ,  Juréus, A. ,  Marques, S. ,  Munguba, H. ,  He, L., Betsholtz,  C., et al. (2015) Cell types in the mouse cortex and hippocampus revealed by single-cell RNA-seq. Science, 347, 1138–1142
doi: 10.1126/science.aaa1934 pmid: 25700174
13 Gokce, O., Stanley,  G. M., Treutlein, B. ,  Neff, N. F. ,  Camp, J. G. ,  Malenka, R. C. ,  Rothwell, P. E. ,  Fuccillo, M. V. ,  Südhof, T. C.  and  Quake, S. R.  (2016) Cellular taxonomy of the mouse striatum as revealed by single-cell RNA-seq. Cell Rep., 16, 1126–1137
doi: 10.1016/j.celrep.2016.06.059 pmid: 27425622
14 Hu, Y., Huang,  K., An, Q. ,  Du, G., Hu,  G., Xue, J. ,  Zhu, X. ,  Wang, C. Y. ,  Xue, Z.  and  Fan, G.  (2016) Simultaneous profiling of transcriptome and DNA methylome from a single cell. Genome Biol., 17, 88
doi: 10.1186/s13059-016-0950-z pmid: 27150361
15 Tasic, B., Menon,  V., Nguyen, T. N. ,  Kim, T. K. ,  Jarsky, T. ,  Yao, Z. ,  Levi, B. ,  Gray, L. T. ,  Sorensen, S. A. ,  Dolbeare, T. , et al. (2016) Adult mouse cortical cell taxonomy revealed by single cell transcriptomics. Nat. Neurosci., 19, 335–346
doi: 10.1038/nn.4216 pmid: 26727548
16 Romanov, R. A. ,  Zeisel, A. ,  Bakker, J. ,  Girach, F. ,  Hellysaz, A. ,  Tomer, R. ,  Alpár, A. ,  Mulder, J. ,  Clotman, F. ,  Keimpema, E. , et al. (2017) Molecular interrogation of hypothalamic organization reveals distinct dopamine neuronal subtypes. Nat. Neurosci., 20, 176–188
doi: 10.1038/nn.4462 pmid: 27991900
17 Zhao, C., Deng,  W. and Gage, F. H.  (2008) Mechanisms and functional implications of adult neurogenesis. Cell, 132, 645–660
doi: 10.1016/j.cell.2008.01.033 pmid: 18295581
18 Götz, M. and Huttner, W. B.  (2005) The cell biology of neurogenesis. Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 6, 777–788
doi: 10.1038/nrm1739 pmid: 16314867
19 Li, L. and Clevers,  H. (2010) Coexistence of quiescent and active adult stem cells in mammals. Science, 327, 542–545
doi: 10.1126/science.1180794 pmid: 20110496
20 Shin, J., Berg,  D. A., Zhu, Y. ,  Shin, J. Y. ,  Song, J. ,  Bonaguidi, M. A. ,  Enikolopov, G. ,  Nauen, D. W. ,  Christian, K. M. ,  Ming, G. L. , et al. (2015) Single-cell RNA-seq with waterfall reveals molecular cascades underlying adult neurogenesis. Cell Stem Cell, 17, 360–372
doi: 10.1016/j.stem.2015.07.013 pmid: 26299571
21 Dulken, B. W. ,  Leeman, D. S. ,  Boutet, S. C. ,  Hebestreit, K.  and  Brunet, A.  (2017) Single-cell transcriptomic analysis defines heterogeneity and transcriptional dynamics in the adult neural stem cell lineage. Cell Reports, 18, 777–790.
doi: 10.1016/j.celrep.2016.12.060 pmid: 28099854
22 Luo, Y., Coskun,  V., Liang, A. ,  Yu, J., Cheng,  L., Ge, W. ,  Shi, Z. ,  Zhang, K. ,  Li, C., Cui,  Y., et al. (2015) Single-cell transcriptome analyses reveal signals to activate dormant neural stem cells. Cell, 161, 1175–1186
doi: 10.1016/j.cell.2015.04.001 pmid: 26000486
23 Llorens-Bobadilla, E. ,  Zhao, S. ,  Baser, A. ,  Saiz-Castro, G. ,  Zwadlo, K.  and  Martin-Villalba, A.  (2015) Single-cell transcriptomics reveals a population of dormant neural stem cells that become activated upon brain injury. Cell Stem Cell, 17, 329–340
doi: 10.1016/j.stem.2015.07.002 pmid: 26235341
24 Bifari, F., Decimo,  I., Pino, A. ,  Llorens-BobadillaE.  ,  Zhao, S. ,  Lange, C. ,  Panuccio, G. ,  Boeckx, B. ,  Thienpont, B. ,  Vinckier, S. ,  Wyns, S. ,  Bouche, A. ,  Lambrechts, D. ,  Giugliano, M. ,  Dewerchin, M. ,  Martin-VillalbaA.  and  CarmelietP.  (2017) Neurogenic radial glia-like cells in meninges migrate and differentiate into functionally integrated neurons in the neonatal cortex. Cell Stem Cell,  20, 360–373
25 Navin, N. E. and Hicks, J. (2010) Tracing the tumor lineage. Mol. Oncol., 4, 267–283
doi: 10.1016/j.molonc.2010.04.010 pmid: 20537601
26 Gerlinger, M., Rowan,  A. J., Horswell, S. ,  Larkin, J. ,  Endesfelder, D. ,  Gronroos, E. ,  Martinez, P. ,  Matthews, N. ,  Stewart, A. ,  Tarpey, P. , et al. (2012) Intratumor heterogeneity and branched evolution revealed by multiregion sequencing. N. Engl. J. Med., 366, 883–892
doi: 10.1056/NEJMoa1113205 pmid: 22397650
27 Shah, S. P., Roth,  A., Goya, R. ,  Oloumi, A. ,  Ha, G., Zhao,  Y., Turashvili, G., Ding, J. ,  Tse, K. ,  Haffari, G. , et al. (2012) The clonal and mutational evolution spectrum of primary triple-negative breast cancers. Nature, 486, 395–399.
pmid: 22495314
28 Shipitsin, M. and Polyak, K. (2008) The cancer stem cell hypothesis: in search of definitions, markers, and relevance. Lab. Invest., 88, 459–463
doi: 10.1038/labinvest.2008.14 pmid: 18379567
29 Patel, A. P., Tirosh,  I., Trombetta, J. J. ,  Shalek, A. K. ,  Gillespie, S. M. ,  Wakimoto, H. ,  Cahill, D. P. ,  Nahed, B. V. ,  Curry, W. T. ,  Martuza, R. L. , et al. (2014) Single-cell RNA-seq highlights intratumoral heterogeneity in primary glioblastoma. Science, 344, 1396–1401
doi: 10.1126/science.1254257 pmid: 24925914
30 Tirosh, I., Venteicher,  A. S., Hebert, C. ,  Escalante, L. E. ,  Patel, A. P. ,  Yizhak, K. ,  Fisher, J. M. ,  Rodman, C. ,  Mount, C. ,  Filbin, M. G. , et al. (2016)Single-cell RNA-seq supports a developmental hierarchy in human oligodendroglioma. Nature, 539, 309–313
doi: 10.1038/nature20123 pmid: 27806376
31 Brennecke, P., Anders,  S., Kim, J. K. ,  Kołodziejczyk, A. A. ,  Zhang, X. ,  Proserpio, V. ,  Baying, B. ,  Benes, V. ,  Teichmann, S. A. ,  Marioni, J. C. , et al. (2013) Accounting for technical noise in single-cell RNA-seq experiments. Nat. Methods, 10, 1093–1095
doi: 10.1038/nmeth.2645 pmid: 24056876
32 Hu, G., Huang,  K., Hu, Y. ,  Du, G., Xue,  Z., Zhu, X.  and  Fan, G.  (2016) Single-cell RNA-seq reveals distinct injury responses in different types of DRG sensory neurons. Sci. Rep., 6, 31851
doi: 10.1038/srep31851 pmid: 27558660
33 Fuccillo, M. V. ,  Földy, C. ,  Gökce, Ö. ,  Rothwell, P. E. ,  Sun, G. L. ,  Malenka, R. C.  and  Südhof, T. C.  (2015) Single-cell mRNA profiling reveals cell-type-specific expression of neurexin isoforms. Neuron, 87, 326–340
doi: 10.1016/j.neuron.2015.06.028 pmid: 26182417
34 Habib, N., Li,  Y., Heidenreich, M., Swiech, L. ,  Avraham-Davidi, I. ,  Trombetta, J. J. ,  Hession, C. ,  Zhang, F.  and  Regev, A.  (2016) Div-seq: single-nucleus RNA-seq reveals dynamics of rare adult newborn neurons. Science, 353, 925–928
doi: 10.1126/science.aad7038 pmid: 27471252
35 Doyle, M. and Kiebler,  M. A. (2011) Mechanisms of dendritic mRNA transport and its role in synaptic tagging. EMBO J., 30, 3540–3552
doi: 10.1038/emboj.2011.278 pmid: 21878995
36 Jung, H., Yoon,  B. C. and Holt, C. E.  (2012) Axonal mRNA localization and local protein synthesis in nervous system assembly, maintenance and repair. Nat. Rev. Neurosci., 13, 308–324
doi: 10.1038/nrn3274 pmid: 22498899
37 Darmanis, S., Sloan,  S. A., Zhang, Y. ,  Enge, M. ,  Caneda, C. ,  Shuer, L. M. ,  Hayden Gephart, M. G. ,  Barres, B. A.  and  Quake, S. R.  (2015) A survey of human brain transcriptome diversity at the single cell level. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 112, 7285–7290
doi: 10.1073/pnas.1507125112 pmid: 26060301
38 Lovatt, D., Ruble,  B. K., Lee, J. ,  Dueck, H. ,  Kim, T. K. ,  Fisher, S. ,  Francis, C. ,  Spaethling, J. M. ,  Wolf, J. A. ,  Grady, M. S. , et al. (2014) Transcriptome in vivo analysis (TIVA) of spatially defined single cells in live tissue. Nat. Methods, 11, 190–196
doi: 10.1038/nmeth.2804 pmid: 24412976
39 Krishnaswami, S. R. ,  Grindberg, R. V. ,  Novotny, M. ,  Venepally, P. ,  Lacar, B. ,  Bhutani, K. ,  Linker, S. B. ,  Pham, S. ,  Erwin, J. A. ,  Miller, J. A. , et al. (2016) Using single nuclei for RNA-seq to capture the transcriptome of postmortem neurons. Nat. Protoc., 11, 499–524
doi: 10.1038/nprot.2016.015 pmid: 26890679
Full text