文獻解讀丨解碼人腦發育中小膠質細胞的時空規則

小膠質細胞的區域相關異質性和狀態轉換，對于中樞神經系統中組織結構的發育和病理事件的發生具有重要的意義。作為中樞神經系統 (CNS) 中的先天免疫細胞，小膠質細胞在免疫、監視和保護CNS健康方面發揮重要作用[1]。小膠質細胞來源于胚胎期卵黃囊組織中的髓系祖細胞[2]，它們在發育過程中向大腦中遷移，隨后定植、分化和成熟[3]，參與維持CNS中的免疫穩態[4]。與成熟的小膠質細胞相比，胚胎小膠質細胞表現出很大的異質性并參與各種生理活動[5]。然而，人類中樞神經系統早期發育過程中，小膠質細胞在不同腦區特化和狀態轉變的機制和功能仍不清楚。因此有必要充分表征和理解在人腦早期發育過程中小膠質細胞區域規范的發育命運決定和狀態轉變。

先前在小鼠中進行的單細胞RNA測序 (scRNA-seq) 研究表明，小膠質細胞具有高度異質性，以及小膠質細胞發育的相關復雜性[6]。然而，人類和小鼠之間的物種差異極大地限制了我們對人類小膠質細胞分化和功能的理解，特別是在早期胚胎發育過程中。而有關人類的單細胞測序研究僅研究了小膠質細胞從卵黃囊到進入大腦前的早期起源階段[7]，或難以CNS中不同區域小膠質細胞的發育進行差異化研究[8]。2022年4月7日，中國科學院動物研究所干細胞與生殖生物學國家重點實驗室焦建偉研究團隊與多家單位強強聯合，在Cell Stem Cell雜志上發表題為Decoding the temporal and regional specification of microglia in the developing human brain的研究文章，基于卵黃囊組織以及不同發育階段下四個不同腦區中小膠質細胞的單細胞轉錄組，表征并可視化分析了CNS中小膠質細胞區域規范的命運決定和狀態轉變。研究團隊初次定義了包括原始髓系細胞、增殖性小膠質細胞、神經元基因富集小膠質細胞、免疫相關小膠質細胞在內的四種主要類型的小膠質細胞，并發現在人和小鼠兩個物種之間小膠質細胞的狀態轉換是保守的，但是在分子水平上存在差異。

作者團隊的核心工作是對獲取的人類胚胎細胞進行scRNA-seq分析。通過UMAP方法，團隊對所得的數據進行降維可視化處理。研究中每個細胞依自身RNA轉錄譜特征被投影到UMAP構建的二維坐標中并顯示出20個細胞簇，進一步被歸納為4個大類，即：原始髓系細胞、增殖性小膠質細胞、神經元基因富集小膠質細胞和免疫相關小膠質細胞。其中免疫相關小膠質細胞數量最多，且可以被劃分為分化中的免疫中間型和更加成熟的免疫特化型（圖1. a,b）。隨后，作者通過進一步分析確定了每個細胞簇的基因身份（圖1. c），并同步分析了每個大類中富集到的基因（圖1. d），不同類小膠質細胞基因的富集情況與其生物學功能存在著明顯的相關性。

圖1. 來自人腦的不同區域小膠質細胞的scRNA-seq和小膠質祖細胞的早期命運決定

接下來，作者分析了胚胎發育不同時期下人腦各個腦區中（大腦皮層-Cor, 間腦-Dien,中腦-Mid和小腦-Cere）不同小膠質細胞簇的分布情況（圖1. e）。并整理出了不同腦區中，小膠質細胞的發育軌跡（圖2）。之后，為了對胚胎發育過程中區域特化小膠質細胞的分子特征和調控網絡進行驗證，同時比較人和小鼠胚胎中小膠質細胞的狀態轉變特點，作者通過免疫染色方法分別分析了人和小鼠切片。

圖2. 人腦的小膠質細胞區域特化的發育軌跡

分析過程中，免疫相關小膠質細胞引起了作者的關注。其中，C18-1亞簇的小膠質細胞富含包括 FSCN1, ADGRG1, LAP3, HTRA1 ,C1QA, BIN1, HCST 和 FPR1等與“突觸修剪”相關的基因，而C18-2亞簇則通過富集NUPR1, CXCR4, PLIN2, S100A1, LGALS3, CCL3L 和ADM等典型的炎癥基因，激活了C18-1亞簇的“突觸修剪”功能（圖3. a）。上述過程中，受體配體對 MIF-(CD74 + CXCR4) 在炎癥反應中發揮了重要的作用。為驗證這一點，作者使用Bioss抗體對CXCR4和小膠質細胞表面標志物IBA1進行了共免疫染色（圖3. b）。此外，特異性高表達的NUPR1能作為轉錄調節因子，可以將應激信號轉化為細胞內基因表達程序，從而賦予細胞抵抗微環境變化引起的能力。使用Bioss抗體對NUPR1和小膠質細胞表面標志物IBA1進行共免疫染色發現：高表達的IBA1+ 細胞比例在GW23人類胚胎和P20小鼠中顯著的不同（圖3. c,d），這一結果說明人和小鼠發育時小膠質細胞的狀態轉換過程中，細胞在分子水平上存在明顯的不同。

圖3. 免疫相關小膠質細胞的部分GO分析與IF檢測

相關產品信息

編號	英文名稱	種屬(已驗證)
bs-7106R	Rabbit Anti-NUPR1 pAb	Hu, Mo
bs-1011R	Rabbit Anti-CXCR4 pAb	Hu, Mo, Rat
bs-12151R	Rabbit Anti-NAV3 pAb	Hu, Mo

產品信息以官網為準。

隨著生物信息學的不斷發展和測序技術的逐代優化，基于信息學的生物組學分析在生命科學研究中發揮的關鍵作用正在受到越來越多人的重視。本文作者解碼了源自相同祖細胞的小膠質細胞的區域規范性發育路徑，并確定了新的小膠質分類和細胞簇。在描述人類胚胎中小膠質細胞的不同激活狀態后，作者分析并證明了小膠質細胞的狀態轉換在人和小鼠之間是保守的，但是在分子水平上存在差異。這項研究成功地應用scRNA-seq對人胚胎中小膠質細胞發育路徑進行了細致描繪，解開了發育生物學領域的又一個黑匣子！努力的汗水不應被一遍遍的重復實驗所埋沒，創意和靈感更需要信得過的試劑給予支撐。給博奧森一份信任，我們還你的不只是一支好抗體！

參考文獻

1.Salter MW, Beggs S. Sublime microglia: expanding roles for the guardians of the CNS. Cell. 2014;158(1):15-24.

2.Ginhoux F, Guilliams M. Tissue-Resident Macrophage Ontogeny and Homeostasis. Immunity. 2016;44(3):439-449.

3.Ginhoux F, Lim S, Hoeffel G, Low D, Huber T. Origin and differentiation of microglia. Front Cell Neurosci. 2013;7:45. Published 2013 Apr 17.

4.Prinz M, Erny D, Hagemeyer N. Ontogeny and homeostasis of CNS myeloid cells [published correction appears in Nat Immunol. 2017 Jul 19;18(8):951]. Nat Immunol. 2017;18(4):385-392.

5.Popova G, Soliman SS, Kim CN, et al. Human microglia states are conserved across experimental models and regulate neural stem cell responses in chimeric organoids. Cell Stem Cell. 2021;28(12):2153-2166.e6.

6.Masuda T, Sankowski R, Staszewski O, et al. Spatial and temporal heterogeneity of mouse and human microglia at single-cell resolution [published correction appears in Nature. 2019 Apr;568(7751):E4]. Nature. 2019;566(7744):388-392.

7.Bian Z, Gong Y, Huang T, et al. Deciphering human macrophage development at single-cell resolution. Nature. 2020;582(7813):571-576.

8.Kracht L, Borggrewe M, Eskandar S, et al. Human fetal microglia acquire homeostatic immune-sensing properties early in development. Science. 2020;369(6503):530-537.