小脑微胶质细胞的空间重组：衰老过程中的神经保护新机制

《Cell Reports》：Spatial and single-cell transcriptomics reveal the reorganization of cerebellar microglia with aging

本研究针对小脑在衰老过程中分子机制不清的问题，通过整合单核RNA测序（snRNA-seq）、微胶质细胞批量RNA测序及MERFISH空间转录组学，发现小脑微胶质细胞在衰老中呈现独特的神经保护性转录重编程，且与颗粒细胞空间邻近性增加。该研究揭示了区域特异性微胶质细胞适应机制，为理解脑衰老及阿尔茨海默病（AD）韧性提供了新视角。

　　

衰老是神经系统功能衰退的主要驱动因素，而小脑作为运动协调和认知功能的关键脑区，虽在阿尔茨海默病（AD）中表现出较强韧性，但其衰老过程中的细胞与分子机制尚不明确。以往研究多聚焦于皮层和海马等易感脑区，对小脑的关注较少。然而，跨脑区转录组分析显示，小脑实际上是最早且最显著发生衰老相关变化的区域之一。这种矛盾现象——即小脑在AD病理中的韧性与其显著的衰老相关变化——引发了对其内在保护机制的深入探索。微胶质细胞作为大脑主要的免疫细胞，在维持神经元稳态中起核心作用，但其在小脑衰老中的空间与分子特征仍属未知。

为系统解析小脑衰老的细胞基础，研究团队应用了三大关键技术：首先，对3月、12月、18月及24月龄小鼠小脑组织进行单核RNA测序（snRNA-seq），通过荧光激活细胞分选（FACS）富集NeuN阴性（以胶质细胞为主）和阳性核群，共分析了87,677个核转录组；其次，从1月、3月及22月龄小鼠的六个脑区（小脑、皮层、海马、丘脑、下丘脑和纹状体）分离微胶质细胞进行批量RNA测序；最后，利用多重误差鲁棒荧光原位杂交（MERFISH）技术对3月与24月龄小鼠小脑和海马组织进行空间转录组成像，通过500个基因 panel 解析细胞类型与空间分布。

小脑细胞衰老的转录异质性

通过UMAP聚类分析，研究鉴定了小脑的16种主要细胞类型。差异表达分析显示，微胶质细胞在衰老过程中表现出最显著的转录变化，尤其在24月龄组中上调基因的平均log2倍数变化最高。Mfuzz算法对伪批量snRNA-seq数据的聚类进一步表明，衰老相关基因（如簇1和簇7）主要富集于微胶质细胞，提示其是小脑对衰老最敏感细胞类型。

微胶质细胞衰老的区域特异性

批量RNA-seq的主成分分析（PCA）显示，小脑微胶质细胞的衰老轨迹与其他脑区（如海马和皮层）显著不同。加权基因共表达网络分析（WGCNA）鉴定出4个关键模块（M4、M9、M10、M12），其中M4（Ⅰ型干扰素信号）和M12（小GTP酶信号）在衰老中上调，而M9（受体介导内吞）和M10（自噬调控）下调。小脑微胶质细胞呈现最高的M4模块评分和最低的M9/M10评分，且神经保护微胶质标签（含Axl、Apoe等基因）表达显著高于海马，而脂滴积累微胶质标签（如Slc25a5、Lpl）表达较低，提示小脑微胶质细胞更倾向于神经保护状态。

衰老中小脑微胶质细胞与颗粒细胞空间邻近性增加

MERFISH空间分析发现，衰老小脑中微胶质细胞在颗粒细胞层密度显著增加，且与颗粒细胞的距离缩短。免疫荧光染色进一步验证了IBA1⁺微胶质细胞在GABRA6⁺颗粒细胞区域的覆盖度升高。差异表达分析显示，颗粒细胞层微胶质细胞上调基因涉及突触信号（如Cbln1）、免疫应答（Cxcl2）及细胞周期调控（Cdk2），表明其空间定位与功能状态密切相关。

神经元关联微胶质细胞状态的鉴定与特征

通过分析微胶质细胞与颗粒细胞距离的关系，研究定义了一组“神经元关联微胶质标签”（含Cdk2、Cxcl2、Slamf9等基因）。该标签在衰老小脑微胶质细胞中表达最高，且表达水平与颗粒细胞距离负相关。形态学分析显示，衰老微胶质细胞分支复杂性降低，但靠近颗粒细胞的微胶质细胞呈现更紧凑的形态，且神经保护标签表达显著升高，而脂滴积累标签无变化。单核RNA-seq中，该类细胞上调Arhgap5（细胞迁移）和Myo5a（囊泡运输），下调Itga9（整合素信号），进一步支持其适应性重塑。

结论与意义

本研究通过多组学整合分析，揭示了小脑微胶质细胞在衰老过程中通过空间重组与转录重编程，形成一种以颗粒细胞邻近性为基础的神经保护状态。这种区域特异性适应机制可能解释小脑对AD病理的相对韧性，并为靶向微胶质细胞以促进脑健康提供了新思路。未来需通过功能实验验证神经元关联微胶质标签的保护作用，并探索其在不同脑衰老模型中的普适性。