端脑的神经活动主要由源自胚胎神经节隆起（GE）的皮质GABA能神经元和皮质下区GABA能神经元塑造。然而，由于神经元亚型高度复杂，人们对这些神经元分化的机制仍知之甚少。本研究结合单细胞RNA测序和基因功能缺失实验，发现小鼠中Foxg1基因的缺失会导致皮质神经元分化为皮质下区神经元。解析了神经节隆起谱系的发育轨迹，揭示了FOXG1驱动的转录程序如何决定不同谱系中的神经元亚型分化，并鉴定了调控谱系分化的关键转录因子。这项研究不仅阐明了皮质和皮质下区域神经元群体生成的调控机制，还为GABA能神经元相关疾病的发病机制提供了转录组学层面的新见解。

单细胞RNA测序

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1. 神经节隆起条件性敲除Foxg1驱动GABA能神经元向皮质迁移

为探究GE来源的GABA能神经元的发育机制。作者通过条件性敲除Foxg1，发现Foxg1缺失导致GABA能神经元在E16.5和E18.5阶段异常聚集在皮质下区，而在大脑皮质和嗅球（OB）中的分布显著减少，表明Foxg1缺失影响了神经元从GE向皮质和嗅球的迁移。单细胞RNA测序分析E16.5阶段的GE细胞群，发现Foxg1条件性敲除导致MGE来源的LHX6^high皮质中间神经元（CINs）比例显著降低，而纹状体中间神经元（SINs）和苍白球典型神经元比例增加。免疫染色证实了SST+中间神经元在腹侧前脑异常聚集。研究还意外发现一类表达NKX2-1的纹状体投射神经元（SPNs）新亚型，具有典型的SPN分子特征（Meis2、Foxp1/2高表达），并通过谱系追踪实验证实这些神经元确实来源于MGE而非传统认为的腹侧LGE。

2. LHX6^high CIN 向苍白球的转化开始于 Foxg1^cKO MGE 谱系的前体阶段

为深入解析Foxg1敲除对MGE谱系神经元的影响，作者对单细胞数据做了进一步分析。RNA速率分析揭示了对照组MGE神经元谱系两条主要发育轨迹：一条从祖细胞经共同前体状态分化为LHX6^high CINs、SINs和GP典型神经元；另一条则较早地从祖细胞分化为NKX2-1⁺ SPNs。Foxg1敲除导致LHX6^high CINs的发育轨迹明显向SINs和GP神经元方向偏移。共同前体细胞（C0）再聚类分析，发现Foxg1敲除导致前体细胞的转录因子表达谱发生显著改变：促CIN分化的Zeb2和Cux2下调，而促腹侧神经元分化的Nkx2-1和Lhx8上调。Nkx2-1下游靶标Lhx6在前体细胞中表达升高，暗示腹侧神经元命运增强。定量分析显示，Foxg1敲除小鼠中pre-CINs比例急剧下降，而pre-SINs/pre-GP神经元比例显著增加。以上结果表明，Foxg1缺失通过改变前体细胞的转录程序，促使MGE谱系神经元从皮质CINs向腹侧SINs和GP神经元转变。

3. FOXG1驱动的转录程序指导 MGE 谱系中 LHX6^high CIN与SIN/GP原型神经元的命运选择

为进一步探究Foxg1调控MGE谱系神经元发育的分子机制，通过RNA 速率分析，作者绘制了对照组MGE谱系神经元亚型的完整发育轨迹，并鉴定出各轨迹中表达变化最显著的500个基因。研究发现，LHX6^high CINs轨迹中Nkx2-1和Lhx8表达下调，而Cux2、Tcf4等皮质命运相关基因上调；SINs和GP神经元轨迹则呈现相反模式，其中Dach1和Pbx3分别特异性上调（图3b）。

作者采用非负矩阵分解（NMF）方法，从对照组MGE谱系中定义了8个基因模块，鉴定出56个调控神经元命运的关键转录因子（如Tcf4、Dlx2、Zeb2），其中86%受FOXG1直接或间接调控（图3d）。为验证这些发现，作者选择关键模块中的Sox4进行功能验证，发现在E12.5过表达Sox4能显著增加E16.5时皮质LHX6⁺ CINs的比例，这与Foxg1 cKO中Sox4下调导致CINs减少的表型相反，证实了Sox4促进皮质命运的作用（图3e）。

这些结果共同表明，Foxg1通过直接调控核心转录因子网络（如Sox4、Tcf4等），动态平衡皮质与腹侧命运相关基因的表达，从而精确指导MGE谱系神经元的分化选择。

4. 在dLGE/CGE谱系中，ID3^high OBIN 向GP Arkypallidal 神经元转化，SP8^high OBIN/PROX1^high CIN 向杏仁核神经元转化

为了深入解析Foxg1 cKO对dLGE/CGE谱系神经元发育的调控机制，作者通过发育轨迹分析，发现dLGE/CGE细胞存在两个独立的发育谱系：FOXP2^highSP8^low谱系（产生ID3^high OBINs和GP Arkypallidal神经元）和FOXP2lowSP8^high谱系（产生SP8^high OBINs、PROX1^high CINs和杏仁核神经元）。免疫染色证实SP8与FOXP2在dLGE/CGE细胞中呈现互补表达模式（图4a）。在FOXP2^highSP8^low谱系中，ID3^high OBINs的发育轨迹明显向GP Arkypallidal神经元偏移，其发育分支缩短而GP神经元分支延长（图4c,d）；在FOXP2lowSP8^high谱系中，OBINs/CINs分支缩短而杏仁核神经元分支延长，表明SP8^high OBINs和PROX1^high CINs转向杏仁核神经元命运（图4c,d）。这些发现表明FOXG1和下游转录程序指导dLGE/CGE谱系中的命运选择。

5. FOXP2^highSP8^low和FOXP2^lowSP8^high dLGE/CGE 谱系中指定每种神经元类型的独特转录程序

随后作者进一步揭示了FOXP2^highSP8^low和FOXP2^lowSP8^high dLGE/CGE 谱系中的发育机制。分别鉴定各神经元亚型发育过程中表达变化最显著的500个基因（图5a,b），在FOXP2^highSP8^low谱系中，ID3^high OBINs和GP Arkypallidal神经元在命运决定关键期表现出显著差异：ID3^high OBINs特异性上调Id2、Hivep3等转录因子和Tcf4、Erbb4等迁移相关基因（图5a）；而GP Arkypallidal神经元则选择性上调Tshz2并维持Prox1表达。FOXP2^lowSP8^high谱系中，SP8^high OBINs、PROX1^high CINs和杏仁核神经元在发育中后期呈现明显差异：SP8^high OBINs激活Tshz1；PROX1^high CINs中Nfix、Htr3a等皮质中间神经元特征基因表达上调；杏仁核神经元则特异性表达Wls等标记物（图5b）。

通过整合差异基因和CUT&Tag数据，作者在FOXP2^highSP8^low谱系中鉴定出343个关键差异表达基因，其中34%为FOXG1直接靶标（图5c）。这些基因可分为三类：111个ID3^high OBINs特异性基因（如下调的Tcf4、Epha4）、113个GP Arkypallidal神经元特异性基因（如上调的Meis2、Tshz2）以及119个共有基因。NMF分析进一步揭示34个核心转录因子构成调控网络，其中88%受FOXG1调控（图5e）。Meis2作为FOXG1直接靶标，其上调与腹侧GP神经元增加显著相关。在FOXP2^lowSP8^high谱系中，研究鉴定出调控SP8^high OBINs/PROX1^high CINs与杏仁核神经元命运分化的46个关键转录因子（图5f），包括Etv1、Nr2f2等已知因子及St18、Hmgb1等新发现调控因子，其中85%（39个）受FOXG1调控。功能验证实验显示，在E12.5过表达Hmgb1能显著增加E16.5时皮质PROX1+ CINs的比例（图5g），与Foxg1 cKO中Hmgb1下调导致CINs减少结果一致。

这些发现共同表明，Foxg1通过差异调控两个谱系的转录程序：在FOXP2^high谱系中平衡Id2/Hivep3与Meis2/Tshz2的表达决定OBINs/GP神经元命运；在FOXP2^low谱系中通过Hmgb1等因子调控皮质与腹侧神经元的分化选择。

6. Foxg1调控皮质/皮质下区GABA能神经元发育的统一机制

通过整合MGE和dLGE/CGE谱系的差异表达分析，作者鉴定出40个共同调控因子（包括Tcf4、Prox1等19个FOXG1直接靶标），其中32个与自闭症、精神分裂症等神经精神疾病相关（图6a,b）。作者选择自闭症相关基因Tcf4进行深入解析：荧光素酶实验证实FOXG1直接激活Tcf4启动子（图7b）；在Foxg1 cKO中恢复Tcf4表达能显著增加皮质PROX1⁺ CINs的数量（图7c）。这些结果不仅证实Tcf4是FOXG1调控神经元命运的关键效应分子，更揭示了神经精神疾病风险基因如何通过干扰GABA能神经元命运决定参与病理过程。

参考文献：

[1] Sun L, Xiong F, Huang F, Dong S, Zhu P, Jiang P, Zhang B, Zhang X, Sun J, Peng H and Zhao C 2025 Transcriptomic insights into fate choice of pallial versus subpallial GABAergic neurons Nat Commun 16 5032