整合的ERK-PKA-YAP/TAZ-SHH信号通路调控皮层放射状胶质细胞的身份与谱系分化

《Advanced Science》：Integrated ERK-PKA-YAP/TAZ-SHH Signaling Orchestrates Cortical Radial Glia Identity and Lineage Diversification

本研究揭示小鼠和人类皮质放射状胶质细胞（RGs）的神经发生、胶质生成及进化扩张由ERK/PKA、YAP/TAZ和SHH信号通路协同调控，通过交叉抑制维持不同RG亚型分化：ERK/PKA抑制YAP和SHH，维持神经发生；YAP促进胶质细胞生成；SHH驱动三向前体细胞（Tri-IPCs）分化。人类进化中ERK/PKA自强化反馈环路增强神经发生，延长皮质发育期，并促进前额叶扩展，为理解皮质发育和进化机制提供了新框架。

　　这项研究聚焦于大脑皮层发育过程中，神经发生与胶质发生如何通过复杂的信号网络进行协调调控。研究团队利用小鼠遗传模型，揭示了ERK（细胞外信号调节激酶）和PKA（蛋白激酶A）信号如何协同作用，以抑制胶质发生相关的YAP/TAZ和SHH（Sonic Hedgehog）信号，从而维持皮层放射状胶质细胞（RGs）的神经发生能力。此外，研究还发现，这些信号通路在小鼠和人类中的功能角色具有一定的保守性，进一步拓展了对皮层发育与进化机制的理解。

在小鼠皮层发育的早期阶段，RGs主要负责生成中间前体细胞（IPCs），这些IPCs专门用于产生谷氨酸能锥体神经元（PyNs）。随着神经发生的结束，部分早期RGs会转变为EP-RGs（生成内皮细胞的RGs）或T-RGs（生成三潜能中间前体细胞的RGs）。EP-RGs主要沿着中线向侧线的方向分化为内皮细胞，而T-RGs则在相反方向生成Tri-IPCs，这些细胞可以进一步分化为皮层星形胶质细胞、少突胶质细胞和嗅球中间神经元。Tri-IPCs展现出高度的可塑性和分化潜力，其分化路径在皮层胶质发生过程中发挥关键作用。

研究进一步发现，ERK和PKA信号不仅在维持神经发生中起作用，还通过抑制YAP和SHH信号来调控RGs的分化方向。例如，YAP信号促进EP-RGs的形成，而SHH信号则推动Tri-IPCs的生成。这种信号之间的相互抑制关系构成了一个三重信号网络，它不仅协调了神经发生与胶质发生，还可能与大脑皮层的进化扩张相关。通过这一网络，细胞在发育过程中能够维持特定的神经或胶质命运，从而确保皮层的复杂结构和功能。

在人类皮层发育过程中，研究也揭示了类似的信号调控机制。人类皮层放射状胶质细胞（fRGs）从妊娠第8周持续到第16周，随后分化为截断型放射状胶质细胞（tRGs）和外侧放射状胶质细胞（oRGs）。oRGs主要生成上层皮层的锥体神经元，而tRGs则在分化过程中生成内皮细胞和Tri-IPCs。值得注意的是，oRGs在进化过程中获得了显著增强的ERK/PKA信号，这种信号抑制了YAP和SHH，从而增强了其自我更新能力，并延长了神经发生的时间。这种信号调控机制可能解释了人类大脑皮层的扩展和复杂化。

研究还探讨了这些信号通路在不同发育阶段的作用。例如，在小鼠中，ERK/PKA信号在神经发生阶段起主导作用，抑制YAP和SHH信号，维持RGs的神经发生能力。而在胶质发生阶段，ERK/PKA信号则进一步抑制YAP活性，从而确保Tri-IPCs的生成。这一发现挑战了以往一些关于SHH和YAP信号直接驱动皮层扩张的观点，表明这些信号更多地参与了细胞命运的调控，而非直接促进皮层体积的扩大。

此外，研究还分析了不同基因突变对RGs分化的影响。例如，YAP信号的缺失会导致EP-RGs的减少，而SHH信号的增强则会促进Tri-IPCs的生成。通过对比不同基因敲除和过表达模型，研究进一步确认了ERK/PKA信号在维持RGs的神经发生和自我更新中的关键作用。同时，这些信号的调控机制在人类中也得到了验证，表明它们在进化过程中可能被保留并优化，以适应不同的发育需求。

研究还涉及了多种实验方法，包括单细胞RNA测序（scRNA-Seq）、免疫组织化学分析以及体外培养实验。这些方法帮助研究人员揭示了不同RG亚型在基因表达和信号通路激活方面的特征。例如，scRNA-Seq数据表明，人类oRGs表现出显著增强的ERK/PKA信号，而E-tRGs则显示出增强的YAP信号。这些结果支持了研究提出的三重信号网络模型，该模型揭示了ERK/PKA、YAP/TAZ和SHH信号之间的相互作用如何协调皮层神经发生、胶质发生和进化过程。

研究还探讨了信号通路之间的相互作用对细胞命运的影响。例如，ERK和PKA信号通过增强彼此的活性，形成正反馈机制，从而维持RGs的自我更新和神经发生。而YAP和SHH信号则通过抑制这些信号，引导RGs向不同的分化路径发展。这种复杂的调控网络可能为理解大脑皮层的发育和进化提供了重要的理论基础。

在实验设计方面，研究人员使用了多种遗传工具，包括条件性基因敲除小鼠、体外电穿孔（IUE）和荧光标记技术。这些方法使得研究人员能够在不同发育阶段追踪RGs的分化轨迹，并分析其在不同信号通路调控下的行为变化。此外，研究还对实验数据进行了系统的统计分析，确保结果的可靠性。

总的来说，这项研究通过详细的分子机制分析，揭示了大脑皮层发育过程中神经发生与胶质发生如何通过ERK/PKA、YAP/TAZ和SHH信号的相互作用进行协调。这些发现不仅深化了我们对皮层发育过程的理解，也为探讨人类大脑的进化机制提供了新的视角。通过这些信号网络，研究人员提出了一个统一的模型，解释了大脑皮层的复杂性是如何逐步形成的，以及这些信号如何在不同物种中被保留和适应。