先前在小鼠中進(jìn)行的單細(xì)胞RNA測(cè)序 (scRNA-seq) 研究表明，小膠質(zhì)細(xì)胞具有高度異質(zhì)性，以及小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育的相關(guān)復(fù)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(duì)人類小膠質(zhì)細(xì)胞分化和功能的理解，特別是在早期胚胎發(fā)育過(guò)程中。而有關(guān)人類的單細(xì)胞測(cè)序研究?jī)H研究了小膠質(zhì)細(xì)胞從卵黃囊到進(jìn)入大腦前的早期起源階段[7]，或難以CNS中不同區(qū)域小膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育進(jìn)行差異化研究[8]。2022年4月7日，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所干細(xì)胞與生殖生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室焦建偉研究團(tuán)隊(duì)與多家單位強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，在Cell Stem Cell雜志上發(fā)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(fā)育階段下四個(gè)不同腦區(qū)中小膠質(zhì)細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組，表征并可視化分析了CNS中小膠質(zhì)細(xì)胞區(qū)域規(guī)范的命運(yùn)決定和狀態(tài)轉(zhuǎn)變。研究團(tuán)隊(duì)初次定義了包括原始髓系細(xì)胞、增殖性小膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元基因富集小膠質(zhì)細(xì)胞、免疫相關(guān)小膠質(zhì)細(xì)胞在內(nèi)的四種主要類型的小膠質(zhì)細(xì)胞，并發(fā)現(xiàn)在人和小鼠兩個(gè)物種之間小膠質(zhì)細(xì)胞的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是保守的，但是在分子水平上存在差異。
作者團(tuán)隊(duì)的核心工作是對(duì)獲取的人類胚胎細(xì)胞進(jìn)行scRNA-seq分析。通過(guò)UMAP方法，團(tuán)隊(duì)對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行降維可視化處理。研究中每個(gè)細(xì)胞依自身RNA轉(zhuǎn)錄譜特征被投影到UMAP構(gòu)建的二維坐標(biāo)中并顯示出20個(gè)細(xì)胞簇，進(jìn)一步被歸納為4個(gè)大類，即：原始髓系細(xì)胞、增殖性小膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元基因富集小膠質(zhì)細(xì)胞和免疫相關(guān)小膠質(zhì)細(xì)胞。其中免疫相關(guān)小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)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(guò)進(jìn)一步分析確定了每個(gè)細(xì)胞簇的基因身份（圖1. c），并同步分析了每個(gè)大類中富集到的基因（圖1. d），不同類小膠質(zhì)細(xì)胞基因的富集情況與其生物學(xué)功能存在著明顯的相關(guān)性。
圖1. 來(lái)自人腦的不同區(qū)域小膠質(zhì)細(xì)胞的scRNA-seq和小膠質(zhì)祖細(xì)胞的早期命運(yùn)決定
接下來(lái)，作者分析了胚胎發(fā)育不同時(shí)期下人腦各個(gè)腦區(qū)中（大腦皮層-Cor, 間腦-Dien,中腦-Mid和小腦-Cere）不同小膠質(zhì)細(xì)胞簇的分布情況（圖1. e）。并整理出了不同腦區(qū)中，小膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育軌跡（圖2）。之后，為了對(duì)胚胎發(fā)育過(guò)程中區(qū)域特化小膠質(zhì)細(xì)胞的分子特征和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)比較人和小鼠胚胎中小膠質(zhì)細(xì)胞的狀態(tài)轉(zhuǎn)變特點(diǎn)，作者通過(guò)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(zhì)細(xì)胞區(qū)域特化的發(fā)育軌跡
分析過(guò)程中，免疫相關(guān)小膠質(zhì)細(xì)胞引起了作者的關(guān)注。其中，C18-1亞簇的小膠質(zhì)細(xì)胞富含包括 FSCN1, ADGRG1, LAP3, HTRA1 ,C1QA, BIN1, HCST 和 FPR1等與“突觸修剪”相關(guān)的基因，而C18-2亞簇則通過(guò)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(guò)程中，受體配體對(duì) MIF-(CD74 + CXCR4) 在炎癥反應(yīng)中發(fā)揮了重要的作用。為驗(yàn)證這一點(diǎn)，作者使用Bioss抗體對(duì)CXCR4和小膠質(zhì)細(xì)胞表面標(biāo)志物IBA1進(jìn)行了共免疫染色（圖3. b）。此外，特異性高表達(dá)的NUPR1能作為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，可以將應(yīng)激信號(hào)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)程序，從而賦予細(xì)胞抵抗微環(huán)境變化引起的能力。使用Bioss抗體對(duì)NUPR1和小膠質(zhì)細(xì)胞表面標(biāo)志物IBA1進(jìn)行共免疫染色發(fā)現(xiàn)：高表達(dá)的IBA1+ 細(xì)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(jié)果說(shuō)明人和小鼠發(fā)育時(shí)小膠質(zhì)細(xì)胞的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，細(xì)胞在分子水平上存在明顯的不同。
圖3. 免疫相關(guān)小膠質(zhì)細(xì)胞的部分GO分析與IF檢測(cè)
相關(guān)產(chǎn)品信息
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編號(hào) |
英文名稱 |
種屬(已驗(yàn)證) |
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Rabbit Anti-NUPR1 pAb |
Hu, Mo |
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Rabbit Anti-CXCR4 pAb |
Hu, Mo, Rat |
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Rabbit Anti-NAV3 pAb |
Hu, Mo |
產(chǎn)品信息以官網(wǎng)為準(zhǔn)。
隨著生物信息學(xué)的不斷發(fā)展和測(cè)序技術(shù)的逐代優(yōu)化，基于信息學(xué)的生物組學(xué)分析在生命科學(xué)研究中發(fā)揮的關(guān)鍵作用正在受到越來(lái)越多人的重視。本文作者解碼了源自相同祖細(xì)胞的小膠質(zhì)細(xì)胞的區(qū)域規(guī)范性發(fā)育路徑，并確定了新的小膠質(zhì)分類和細(xì)胞簇。在描述人類胚胎中小膠質(zhì)細(xì)胞的不同激活狀態(tài)后，作者分析并證明了小膠質(zhì)細(xì)胞的狀態(tài)轉(zhuǎn)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(xiàng)研究成功地應(yīng)用scRNA-seq對(duì)人胚胎中小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育路徑進(jìn)行了細(xì)致描繪，解開(kāi)了發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域的又一個(gè)黑匣子！努力的汗水不應(yīng)被一遍遍的重復(fù)實(shí)驗(yàn)所埋沒(méi)，創(chuàng)意和靈感更需要信得過(guò)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(xiàn)
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