衰老小鼠中单核细胞来源的小胶质细胞引发与克隆性造血相关的运动功能障碍：机制与启示

本文研究发现健康衰老小鼠大脑特定区域会有单核细胞来源的巨噬细胞（MoMΦs）积累，且部分会成为小胶质细胞（MoMg）。携带克隆性造血（CH）相关突变的 MoMg 可致类似帕金森病的运动功能障碍，为研究衰老相关脑疾病提供了新视角。

　　

研究背景

小胶质细胞（Mg）在中枢神经系统（CNS）的发育、稳态和免疫防御中至关重要，传统观点认为成年健康小鼠脑实质中的小胶质细胞仅源于卵黄囊（YS），然而单核细胞及其衍生的巨噬细胞（MoMΦs）在脑疾病中的作用已被广泛研究，但其在健康脑，尤其是随年龄增长时的作用尚不清楚。同时，克隆性造血（CH）相关的体细胞突变可影响单核细胞衍生细胞，进而对机体健康产生影响，因此探究单核细胞来源的小胶质细胞在健康衰老大脑中的作用具有重要意义。

研究方法

1. 小鼠模型构建：利用多种转基因小鼠模型，如Ms4a3^Cre: R26-TdTomato、Cx3cr1^gfp、Cxcr4^CreER: R26-TdTomato 等，通过基因编辑技术使特定细胞表达荧光标记，以便追踪细胞来源和命运。
2. 细胞分离与分析：对小鼠进行麻醉、灌注后，分离脑实质和脑膜细胞，运用酶消化、密度梯度离心等方法处理细胞，通过流式细胞术分析细胞表面标志物，以鉴定不同类型的巨噬细胞；还进行了单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）和批量 RNA 测序（bulk RNA-seq），深入探究细胞的转录组特征。
3. 骨髓移植实验：将供体小鼠的骨髓移植到经致死剂量照射的受体小鼠体内，构建骨髓嵌合体，研究移植细胞在受体小鼠大脑中的分布、分化和功能，对比不同基因型骨髓移植后的差异。
4. 人类样本分析：获取来自荷兰脑库和 MSKCC 的人类尸检血液 - 脑样本，对其中的髓系、神经元和胶质 / 基质细胞核进行分离，采用靶向深度测序和液滴数字 PCR 技术，检测 CH 相关突变，分析血液单核细胞对人类衰老小胶质细胞的贡献。
5. 行为学测试：对实验小鼠进行多种行为学测试，如 CatWalk 步态分析、 pole test、staircase test 和 resting-state functional magnetic resonance imaging（rs-fMRI）等，评估小鼠的运动功能和神经活动，判断单核细胞来源的小胶质细胞对小鼠行为的影响。

研究结果

1. MoMΦs 在小鼠大脑中的积累与分布：通过对Ms4a3^Cre: R26-TdTomato小鼠的研究发现，在健康衰老小鼠大脑中，MoMΦs 不仅存在于脑膜，还在脑实质的特定区域积累，如枕叶皮质、黑质纹状体实质和延髓，但额叶和顶颞叶皮质中未检测到。且 MoMΦs 的数量随年龄增长而增加，在老年小鼠大脑中呈聚集分布，提示可能存在原位克隆性扩张。
2. MoMg 的转录组特征：对老年小鼠脑内的 MoMΦs 和胚胎来源的小胶质细胞进行 scRNA-seq 分析，结果显示多数 MoMg 在转录组上与卵黄囊来源的小胶质细胞（YSMg）相似，表达小胶质细胞的标志性基因，如P2ry12和Sall1，这表明在衰老过程中，MoMg 可获得与 YSMg 相似的转录组身份。不过，部分 MoMg 也具有独特的转录特征，如高表达 MHC II 类相关基因。
3. 骨髓移植后细胞的变化：在骨髓移植实验中，受体小鼠大脑会被供体来源的巨噬细胞定植，且这些细胞在特定脑区积累，与未处理小鼠中 MoMg 的分布相似。进一步分析发现，多数定植的中枢神经系统小胶质细胞是单核细胞来源的细胞，随着时间推移，它们能逐渐获得类似 YSMg 的转录组特征，例如表达Sall1。
4. 人类血液单核细胞对 Mg 池的贡献：通过对人类血液 - 脑样本的分析，在部分个体的脑 PU.1⁺细胞核中检测到与血液中相同的 CH 相关突变，这一结果支持了血液单核细胞可参与人类衰老小胶质细胞组成的结论，表明人类大脑中也存在类似小鼠的现象。
5. hDNMT3A^R882H对 MoMg 的影响：利用携带人类 DNMT3A^R882H变体的小鼠模型进行研究，发现该变体可影响造血干细胞（HSC）的甲基组，进而改变 MoMg 的转录组。与对照组相比，hDNMT3A^R882H MoMg 表达更高水平的Ccl5等基因，且对周围的 YSMg 产生旁分泌作用，影响其基因表达。
6. hDNMT3A^R882H MoMg 对小鼠行为的影响：行为学测试结果表明，携带 hDNMT3A^R882H MoMg 的小鼠出现运动功能障碍，如在 CatWalk 步态分析中表现为平均速度和 cadence 降低，站立时间延长；在 pole test 和 staircase test 中表现不佳；rs-fMRI 检测显示其神经元子网的连接性发生改变。进一步研究发现，这些小鼠黑质致密部的 TH⁺神经元数量减少，提示神经元传递受损。

研究讨论

1. MoMg 在健康衰老大脑中的作用：本研究首次证实健康衰老小鼠大脑特定区域会被 MoMΦs 逐渐定植，且 MoMg 可获得与 YSMg 相似的转录组特征。这一发现解释了此前报道的小鼠脑内小胶质细胞区域异质性，为深入理解大脑衰老过程中免疫细胞的变化提供了新依据。
2. CH 与神经系统疾病的关联：研究表明，CH 相关的 DNMT3A^R882H变体可使 MoMg 成为大脑病理的风险因素，导致类似帕金森病的运动功能障碍。这一结果提示 CH 与神经系统疾病之间可能存在密切联系，为研究帕金森病等神经系统疾病的发病机制提供了新的方向。
3. 研究的局限性与展望：尽管本研究取得了重要成果，但仍存在一些局限性。例如，虽然多数 MoMg 在转录组上与 YSMg 相似，但尚不清楚它们在受到刺激时的反应是否相同；此外，无法排除外周 MoMΦs 或突变淋巴细胞对观察到的表型的贡献。未来研究可通过单细胞染色质可及性测序（scATAC-seq）等技术进一步探究 MoMg 和 YSMg 的表观遗传差异，同时利用 MoMg 特异性条件诱变小鼠模型，深入研究特定电路在 hDNMT3A^R882H驱动的运动障碍中的功能相关性。

本研究通过对小鼠模型和人类样本的研究，揭示了单核细胞来源的小胶质细胞在健康衰老大脑中的动态变化及其与克隆性造血相关的病理影响，为理解衰老相关脑疾病的发病机制提供了重要线索，也为未来相关疾病的治疗和干预提供了潜在的靶点和理论基础。