Decoding nervous system by single-cell RNA sequencing

Abstract

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.

Graphical abstract

Keywords

single cell RNA-seq / brain transcriptome / brain cell types

References

[1] Lodato, S. and Arlotta,  P. (2015) Generating neuronal diversity in the mammalian cerebral cortex. Annu. Rev. Cell Dev. Biol., 31, 699–720

[2] Liu, S. and Trapnell,  C. (2016) Single-cell transcriptome sequencing: recent advances and remaining challenges. F1000Res, 5, 5

[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

[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

[5] Macosko, E. Z. ,  Basu, A. ,  Satija, R. ,  Nemesh, J. ,  Shekhar, K. ,  Goldman, M. ,  Tirosh, I. ,  Bialas, A. R. ,  Kamitaki, N. ,  Martersteck, E. M. ,  (2015) Highly parallel genome-wide expression profiling of individual cells using nanoliter droplets. Cell, 161, 1202–1214

[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

[8] Elston, G. N.  (2003) Cortex, cognition and the cell: new insights into the pyramidal neuron and prefrontal function. Cereb. Cortex, 13, 1124–1138

[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

[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

[11] Usoskin, D., Furlan,  A., Islam, S. ,  Abdo, H. ,  Lönnerberg, P. ,  Lou, D. ,  Hjerling-Leffler, J. ,  Haeggström, J. ,  Kharchenko, O. ,  Kharchenko, P. V. ,  (2015) Unbiased classification of sensory neuron types by large-scale single-cell RNA sequencing. Nat. Neurosci., 18, 145–153

[12] Zeisel, A., Muñoz-Manchado,  A. B., Codeluppi, S. ,  Lönnerberg, P. ,  La Manno, G. ,  Juréus, A. ,  Marques, S. ,  Munguba, H. ,  He, L., Betsholtz,  C.,  (2015) Cell types in the mouse cortex and hippocampus revealed by single-cell RNA-seq. Science, 347, 1138–1142

[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

[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

[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. ,  (2016) Adult mouse cortical cell taxonomy revealed by single cell transcriptomics. Nat. Neurosci., 19, 335–346

[16] Romanov, R. A. ,  Zeisel, A. ,  Bakker, J. ,  Girach, F. ,  Hellysaz, A. ,  Tomer, R. ,  Alpár, A. ,  Mulder, J. ,  Clotman, F. ,  Keimpema, E. ,  (2017) Molecular interrogation of hypothalamic organization reveals distinct dopamine neuronal subtypes. Nat. Neurosci., 20, 176–188

[17] Zhao, C., Deng,  W. and Gage, F. H.  (2008) Mechanisms and functional implications of adult neurogenesis. Cell, 132, 645–660

[18] Götz, M. and Huttner, W. B.  (2005) The cell biology of neurogenesis. Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 6, 777–788

[19] Li, L. and Clevers,  H. (2010) Coexistence of quiescent and active adult stem cells in mammals. Science, 327, 542–545

[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. ,  (2015) Single-cell RNA-seq with waterfall reveals molecular cascades underlying adult neurogenesis. Cell Stem Cell, 17, 360–372

[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.

[22] Luo, Y., Coskun,  V., Liang, A. ,  Yu, J., Cheng,  L., Ge, W. ,  Shi, Z. ,  Zhang, K. ,  Li, C., Cui,  Y.,  (2015) Single-cell transcriptome analyses reveal signals to activate dormant neural stem cells. Cell, 161, 1175–1186

[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

[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

[26] Gerlinger, M., Rowan,  A. J., Horswell, S. ,  Larkin, J. ,  Endesfelder, D. ,  Gronroos, E. ,  Martinez, P. ,  Matthews, N. ,  Stewart, A. ,  Tarpey, P. ,  (2012) Intratumor heterogeneity and branched evolution revealed by multiregion sequencing. N. Engl. J. Med., 366, 883–892

[27] Shah, S. P., Roth,  A., Goya, R. ,  Oloumi, A. ,  Ha, G., Zhao,  Y., Turashvili, G., Ding, J. ,  Tse, K. ,  Haffari, G. ,  (2012) The clonal and mutational evolution spectrum of primary triple-negative breast cancers. Nature, 486, 395–399

[28] Shipitsin, M. and Polyak, K. (2008) The cancer stem cell hypothesis: in search of definitions, markers, and relevance. Lab. Invest., 88, 459–463

[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. ,  (2014) Single-cell RNA-seq highlights intratumoral heterogeneity in primary glioblastoma. Science, 344, 1396–1401

[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. ,  (2016)Single-cell RNA-seq supports a developmental hierarchy in human oligodendroglioma. Nature, 539, 309–313

[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. ,  (2013) Accounting for technical noise in single-cell RNA-seq experiments. Nat. Methods, 10, 1093–1095

[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

[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

[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

[35] Doyle, M. and Kiebler,  M. A. (2011) Mechanisms of dendritic mRNA transport and its role in synaptic tagging. EMBO J., 30, 3540–3552

[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

[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

[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. ,  (2014) Transcriptome in vivo analysis (TIVA) of spatially defined single cells in live tissue. Nat. Methods, 11, 190–196

[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. ,  (2016) Using single nuclei for RNA-seq to capture the transcriptome of postmortem neurons. Nat. Protoc., 11, 499–524

[40] Lacar, B., Linker,  S. B., Jaeger, B. N. ,  Krishnaswami, S. ,  Barron, J. ,  Kelder, M. ,  Parylak, S. ,  Paquola, A. ,  Venepally, P. ,  Novotny, M. ,  (2016) Nuclear RNA-seq of single neurons reveals molecular signatures of activation. Nat. Commun., 7, 11022

ACKNOWLEDGMENTS

We thank Yanfei Yang for helping us to prepare the graphical abstract. This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 31600960) and the National Key R&D Program of China (2016 YFC1303100 and 2016YFC0901700)

COMPLIANCE WITH ETHICS GUIDELINES

The authors Ganlu Hu and Guang-Zhong Wang declare that they have no conflict of interests.

This article is a review article and does not contain any studies with human or animal subjects performed by any of the authors.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg