星形胶质细胞亚群与神经系统疾病

【字体：大中小】 时间：2024年07月24日 来源：凯杰生命科学

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　　小编将通过两篇Nature文章，带您学习顶刊如何设计实验和解读组学数据。

星形胶质细胞是中枢神经系统中的重要组成部分，它们数量众多并且功能复杂，在维持和保护神经网络中扮演重要角色。之前的研究表明，大脑不同区域的星形胶质细胞在转录水平和功能上具有高度异质性，但尚不清楚这种异质性的来源和意义。星形胶质细胞的激活状态与多发性硬化症、阿尔兹海默症、帕金森病、亨廷顿病等多种神经疾病相关，但目前我们对神经系统疾病的认知依然不够，诊治的方法也有限。行为学实验、分子生物学实验以及组学数据的整合，拓展了神经疾病的研究策略，能够将细胞亚群与疾病进行关联研究，为疾病诊治提供新靶点和思路。

Nature | ACLY⁺EP300⁺星形胶质细胞的免疫记忆促进神经系统疾病发展

免疫记忆是指细胞受到同一抗原的再次刺激时，产生比第一次更强的免疫反应，通常由T细胞和B细胞行使这一功能。近期的研究表明，某些其他类型的细胞在经历抗原反复刺激时，转录、表观遗传修饰和代谢水平也会发生改变，产生疾病相关的炎症因子。然而，在神经疾病中，目前尚不清楚星形胶质细胞是否对反复抗原刺激做出改变。今年3月，哈佛医学院的研究人员在Nature杂志上发表论文[1]，系统研究了星形胶质细胞免疫记忆与神经系统疾病的关系。

首先，为了研究反复刺激是否会影响星形胶质细胞，研究人员对小鼠进行了一周一次或两次的IL-1β和TNF注射，检测一次和两次注射后星形胶质细胞的转录水平差异。然后通过生物意义挖掘软件Ingenuity Pathway Analysis（IPA），发现两次注射激活了神经炎症、急性响应、趋化因子等信号通路（图1A），提示两次注射比一次注射产生了更强的促炎反应。同时，采用IPA发现NF-κB和EP300是两次注射后被显著激活的上游调控因子，组蛋白去乙酰化酶HDAC4和HDAC5是被显著抑制的上游调控因子（图1B）。同时，在多发性硬化症的小鼠实验模型EAE中，H3K27ac⁺EP300⁺星形胶质细胞数量显著增加（图1C)，提示EP300和组蛋白乙酰化可能调控星形胶质细胞的免疫记忆，促进疾病发展。

图1.（A）两次注射后差异表达基因富集的信号通路，红色表示激活，蓝色表示抑制。（B）调控两次注射后基因差异表达的上游调控因子，红色表示激活，蓝色表示抑制。（C）正常和EAE模型小鼠中，H3K27ac⁺EP300⁺星形胶质细胞比例。

为了研究神经疾病中，EP300在星形胶质细胞中的功能，研究人员构建了EP300敲除的EAE小鼠。通过比较敲除前后星形胶质细胞的转录组和ChIP-seq数据，发现EP300敲除降低了H3K27乙酰化（图2A），并且与组蛋白结合减少的基因与蛋白翻译后修饰、转录和代谢相关（图2B），表明EP300改变了星形胶质细胞的表观遗传记忆。

图2.（A）小鼠EAE模型中，EP300敲除与未敲除状态下，H3K27乙酰化富集程度。（B）组蛋白结合减少的基因富集的信号通路。

ACLY和ACSS2是哺乳动物中常见的两个蛋白乙酰化酶，在两次注射后的星形胶质细胞中，只有ACLY表达量提高。在EAE模型中，ACLY⁺EP300⁺的星形胶质细胞比例更高（图3A）。进一步，为了探究星形胶质细胞表观遗传记忆的乙酰化酶，研究人员构建了ACLY敲除的EAE小鼠。采用IPA，发现ACLY敲除后下调的基因富集在急性响应、神经炎症、趋化因子等信号通路（图3B），提示ACLY失活减轻了炎症反应。IPA还鉴定出ACLY敲除后，EP300和NF-κB处于抑制状态（图3C），逆转了炎症，这些结果表明ACLY驱动了EP300介导的表观记忆。

图3.（A）正常和EAE模型小鼠中，ACLY⁺EP300⁺星形胶质细胞比例。（B）ACLY敲除后，下调基因富集的信号通路。（C）ACLY敲除后，EP300和NF-κB是被抑制的上游调控因子。

至此，研究人员发现了ACLY⁺EP300⁺星形胶质细胞亚群激活了细胞炎症响应，恶化了神经疾病。由于ACLY和EP300分别定位在细胞质和细胞核中，无法通过传统方式将其筛选出来。研究人员借助FIND-seq技术，发现EAE模型中ACLY和EP300共表达的星形胶质细胞数量增加（图4A），并且显著表达表观遗传记忆相关的基因（图4B）。

图4.（A）通过FIND-seq技术，筛选小鼠EAE模型中ACLY和EP300不同表达水平的星形胶质细胞。（B）表观遗传记忆相关基因在ACLY和EP300不同表达水平的星形胶质细胞中的表达情况。

通过公共数据挖掘，研究人员重新分析了小鼠EAE模型星形胶质细胞的scRNA-seq（图5A），也发现了ACLY和EP300共表达的细胞群（图5B）。采用IPA，研究人员发现这群细胞激活了神经炎症、急性响应、趋化因子等信号通路（图5C），也激活了ACLY、EP300和NF-κB等上游调控因子（图5D）。

图5.（A）小鼠EAE模型星形胶质细胞scRNA-seq的UMAP图。（B）ACLY和EP300共表达细胞的基因表达水平在不同细胞群的相似度。（C）细胞群3激活的信号通路。（D）细胞群3激活的上游调控因子及其调控的基因。

不仅在小鼠EAE模型中，研究人员也重新分析了多发性硬化症患者星形胶质细胞的scRNA-seq（图6A），同样发现了ACLY和EP300共表达的细胞群（图6B）。通过IPA，研究人员发现患者体内的ACLY和EP300共表达的星形胶质细胞也激活了趋化因子、神经炎症、急性响应等信号通路（图6C），同样激活了ACLY、EP300和NF-κB等上游调控因子（图6D）。

图6.（A）多发性硬化症患者星形胶质细胞scRNA-seq的UMAP图（B）ACLY和EP300共表达细胞的基因表达水平在不同细胞群的相似度。（C）细胞群2激活的信号通路。（D）细胞群2激活的上游调控因子及其调控的基因。

该研究通过两次IL-1β和TNF注射发现星形胶质细胞也具有免疫记忆，通过敲除小鼠、免疫荧光、RNA-seq、ChIP-seq、FIND-seq等技术，揭示了ACLY⁺EP300⁺星形胶质细胞亚群通过表观遗传记忆影响神经系统疾病。通过公共数据挖掘，进一步证实了该现象的普遍性，阐述了ACLY、EP300和NF-κB在神经炎症中的重要性，为神经疾病的治疗提供了新思路。

Nature | 纹状体Crym⁺星形胶质细胞调控刻板行为

星形胶质细胞是神经回路的重要成员，它们在大脑各区域表现出多样性，可能与特定的神经回路关联。但目前尚不清楚特定星形胶质细胞亚群与神经回路的联系，以及它们对生理、行为和疾病的影响。今年2月，加州大学洛杉矶分校的研究人员在Nature杂志发表论文[2]，表明纹状体Crym⁺星形胶质细胞亚群与刻板行为相关。

首先，通过公共数据挖掘，研究人员发现纹状体中的星形胶质细胞高表达Crym。同时，Crym表达水平在强迫症和亨廷顿病患者中显著下降（图7A）。然而，目前对于Crym⁺星形胶质细胞知之甚少。接着，为了研究Crym基因，研究人员向纹状体中心注射了Crym基因的sgRNA，构建了纹状体Crym敲低的小鼠。进一步，通过多种行为学实验，研究人员发现Crym 敲低小鼠在大理石掩埋试验中埋藏更多大理石（图7B），并且花费更多时间理毛（图7C），提示Crym敲低小鼠表现出刻板行为模式。通过电生理学实验，研究人员发现Crym缺失影响了侧眶额叶皮层与纹状体间的通信，减弱了突触前抑制，增强了兴奋性传递（图7D）。进一步，研究人员借助化学遗传学工具DREADD技术，恢复了突触前抑制功能，小鼠的刻板行为得到改善（图7E）。

图7.（A）Crym在多个公共数据中的表达水平。（B）未敲低和敲低Crym，小鼠埋藏的大理石数量。（C）未敲低和敲低Crym，小鼠理毛花费的时间。（D）未敲低和敲低Crym，侧眶额叶皮层与纹状体间突触结构和神经回路的示意图。（E）通过DREADD技术恢复突触前抑制，不同脑区的cFOS+神经元比例。

以上研究借助多种实验，表明纹状体Crym⁺星形胶质细胞通过突触前抑制调控异常行为。接着，研究人员比较了Crym⁺和Crym^-星形胶质细胞在转录水平上的差异。在星形胶质细胞标记物基因方面，两类细胞的表达水平相似（图8A），并且仅有178个显著差异表达基因（图8B）。采用IPA，研究人员将Crym⁺星形胶质细胞特有基因和共有基因分别做富集分析，发现Crym⁺星形胶质细胞激活平面细胞极性、翻译后磷酸化修饰和胰岛素生长因子等信号通路，抑制髓鞘和突触形成等信号通路（图8C），表明Crym⁺星形胶质细胞呈现出独特的功能性。

图8.（A）星形胶质细胞标记物基因在Crym⁺和Crym^-细胞中的表达水平。（B）Crym⁺和Crym^-星形胶质细胞转录水平的火山图。红色表示上调，蓝色表示下调。（C）Crym⁺星形胶质细胞独有基因和共有基因显著富集的前10个信号通路。

该研究通过公共数据挖掘、敲除小鼠、行为学实验、电生理实验、化学遗传学实验和RNA-seq等技术，详细阐述了纹状体Crym⁺星形胶质细胞调节刻板行为的机制，强调了CRYM蛋白在调控神经递质释放的作用，为神经疾病的治疗提供了新靶点。

以上两篇文章整合了多种生物学实验和组学数据，详细研究了特定星形胶质细胞亚群与神经疾病的关系。组学数据不仅能够解释实验现象，也能够为后续实验提供指导，因此全面深入地解读组学数据十分关键。Ingenuity Pathway Analysis（IPA）汇集了海量文献，人工整理得到分子间的调控关系，从生物学通路、上游调控因子、下游疾病和功能、调控网络、调控模式相似或相反的公共数据等诸多方面系统解读组学数据，助力疾病研究、靶点挖掘、解析药理毒理等。为了更好地帮助大家解读组学数据，我们推出了全新的IPA学习平台，欢迎扫描下面的二维码，获取最新的视频资料。