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脑内再殖小胶质细胞的起源

日期:2020-05-05 点击数: 来源:

2018年2月,自然出版集团顶级刊物《自然·神经科学》刊发了由彭勃团队主导的研究论文,该论文成功破解了脑内小胶质细胞再殖现象(microglial repopulation)的细胞起源之谜,结束了成年哺乳动物中枢神经系统内是否存在小胶质细胞前体细胞的重大争议,并对中枢神经系统再生研究和小胶质细胞稳态维持有着重大科学价值。

惊人的小胶质细胞再殖现象与重大争议

成年哺乳动物中枢神经系统(包括脑、视网膜和脊髓)的再生能力极其有限,曾在相当长的时间内认为中枢神经系统受损将无法修复。研究表明,脑内只存在两类干细胞(或前体细胞):神经干细胞(neural stem cell, NSC)以及少突胶质细胞前体细胞(oligodendrocyte precursor cell, OPC)。前者可分化成神经细胞和星形胶质细胞(astrocyte),后者可分化为少突胶质细胞(oligodendrocyte)。但是由于受到中枢神经系统细胞内在特性和外部环境的制约,其分化能力有限,无法在神经退行性病变(如脑外伤,老年痴呆和帕金森疾病等)时分化出足够的细胞以修复受损的中枢神经系统。因此,成年哺乳动物的脑损伤被认为是无法修复的。

然而,2014年来自加州大学欧文分校的研究人员在小鼠脑内发现了惊人的细胞再生现象,改写了脑内细胞再生的认知。Kim Green团队通过特异性抑制集落刺激因子1受体(colony-stimulating factor 1 receptor, CSF1R)的方式几乎完全消除脑内的小胶质细胞(>99%)[1]。而当停止抑制并经过短暂恢复期后,脑内出现新生的小胶质细胞。这些再生的小胶质细胞可迅速定殖至全脑,并在一周左右完全恢复至原有状态(如密度、分布和形态)[1]。这是人类首次在成年哺乳动物的中枢神经系统内发现的大规模细胞再生现象,该过程被称为小胶质细胞再殖。该研究团队通过组织学免疫染色的方式推测再殖小胶质细胞可能由脑内的一类瞬时表达Nestin的细胞分化而来。这被认为是继神经干细胞和少突胶质细胞前体细胞之外,在成年哺乳动物中枢神经系统内发现的第三类干细胞。在发育过程中,原生小胶质细胞起源于胚胎期的卵黄囊,而中枢神经系统内的其他细胞均起源于外胚层[2]。Nestin细胞被认为是具有外胚层谱系干细胞的特征,提示该类干细胞具有跨谱系方向分化高分化潜能。由于其具有高度的分化潜能和惊人的分化速度,科学家认为有望通过调控该类细胞使其定向分化为脑内的其他细胞类型,这对于中枢神经系统损伤修复和再生医学具有重要意义。因此,该发现一经发表即得到了广泛关注,论文的年引用率逾100次。

然而着重大发现的背后,伴随的是关于再殖小胶质细胞起源的极大争议:首先,成熟的中枢神经系统中是否可能存在跨谱系分化现象。若再殖小胶质细胞由Nestin阳性细胞分化而来,即提示外胚层起源细胞可向其他谱系方向分化,而这种跨谱系细胞分化现象在成年哺乳动物的中枢神经系统内的发生概率极低。其次,再殖小胶质细胞是否起源于血液细胞的分化。在神经炎症反应中,会有极少量的血液细胞穿过血脑屏障并分化成小胶质细胞样细胞(microglia-like cell)。而既往关于再殖小胶质细胞起源的研究未充分排除该途径。第三,再殖小胶质细胞亦有可能来源于残存的小胶质细胞。依据Kim Green团队的研究,脑内仍残存少量的小胶质细胞(约1%),残存的小胶质细胞可能通过增殖的方式形成再殖小胶质细胞,而该途径的可能性亦未能完全排除。因此,关于脑内再殖小胶质细胞的起源问题,学术界存在重大争议。

多种谱系追踪技术锁定再殖小胶质细胞起源

在神经科学顶级学术刊物《自然神经科学》刊发的题为Repopulated microglia are solely derived from the proliferation of residual microglia after acute depletion(再殖小胶质细胞完全来源于残存小胶质细胞的自我增殖)的研究论文中,彭勃团队首次通过严谨的多种谱系追踪(fate mapping或lineage tracing)技术,系统性阐述再殖小胶质细胞的起源问题。首先,彭勃团队利用连体结合手术(parabiosis),将野生型小鼠与携带GFP绿色荧光蛋白小鼠的血液进行交换,以研究再殖小胶质细胞可能的血液起源途径。该团队发现,在其探索过的所有脑区内,均未发现有起源于血液的再殖小胶质细胞,排除了再殖小胶质细胞的血液起源假说。

随后,该研究团队利用诱导型谱系追踪转基因小鼠Nestin-CreER::Ai14标记所有的Nestin细胞。在该类实验中,重组酶CreER会在他莫昔芬的诱导下切除Nestin细胞中报告基因tdTomato前的停止信号。于是该类细胞和其分化而成的后代细胞均会永久表达tdTomato报告蛋白。但令人意外的是,再殖小胶质细胞中未发现携带有tdTomato报告蛋白,说明该类细胞并非起源于前人所推测的Nestin阳性细胞。紧接着,该团队利用多个转基因小鼠工具对脑内主要的外胚层谱系细胞(包括星形胶质细胞、神经干细胞、少突胶质细胞前体细胞和多种神经细胞)进行谱系追踪,发现这些细胞均不是再殖小胶质细胞的前体细胞。相反,通过巧妙设计的Cx3cr1-CreER::Ai14谱系追踪技术发现,所有的再殖小胶质细胞是由中枢神经系统内残存的原生小胶质细胞(<0.9%)经过直接的细胞增殖而来。在此过程中,新生的小胶质会瞬时性表达Nestin蛋白,但其细胞命运(cell fate)未发生改变。于是,彭勃团队通过多种谱系追踪技术推翻了前人关于再殖小胶质细胞起源于Nestin阳性前体细胞分化的结论,并发现其再殖小胶质细胞完全起源于残存的小胶质细胞增殖。该现象是迄今为止在成年哺乳动物中枢神经系统内发现的最快的细胞增殖现象。此外,彭勃团队还通过单细胞RNA测序技术阐述了其细胞再殖的可能机理,并通过全脑RNA测序,发现了再殖小胶质细胞与原生小胶质细胞在功能学上的高度相似性。

改论文入选了Nature Reviews Immunology评选的2018年度神经免疫学进展(Year In Review: Neuroimmunology 2018),全球共5个工作入选。

相关论文:

Huang Y., Xu Z., Xiong S., Sun F., Qin G., Hu G., Wang J., Zhao L., Zhang C., Liang Y.X., Wu T, Lu Z, Humayun M.S., So K.F., Pan Y., Li N., Yuan T.F.*, Rao Y.*, and Peng B.*(2018) Repopulated microglia are solely derived from the proliferation of residual microglia after acute depletion.Nature Neuroscience21, 530-540.

相关报道链接:

https://mp.weixin.qq.com/s/Bijt2PHM0tmngJQ0jJEugQ


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