西湖大学何丹阳/贾洁敏课题组揭示疾病相关小胶质细胞可塑性

2024年2月2日，西湖大学何丹阳与贾洁敏课题组在《Immunity》杂志发表题为“Fate-mapping of Spp1 expression reveals age-dependent plasticity of disease-associated microglia like cells after brain injury”的研究成果。研究基于Spp1的表达特征构建了疾病相关小胶质细胞（disease associated microglia, DAM）的命运图谱示踪系统，揭示了大脑损伤后疾病相关小胶质细胞具有年龄依赖的可塑性，强调了新生的疾病相关小胶质细胞具有强可塑性并能获得先天免疫记忆。

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https://www.cell.com/immunity/fulltext/S1074-7613(24)00032-3

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小胶质细胞作为中枢神经系统中最主要的免疫细胞，时刻监测着中枢神经系统（central nervous system, CNS）环境的变化，能迅速响应中枢神经损伤和炎症并活化，发生特征和表型的改变。

近年来，小胶质细胞在退行性疾病、神经发育疾病、肿瘤和自身免疫性神经炎症性等多种中枢神经疾病中的作用受到广泛关注。全基因组关联研究（GWAS）发现神经退行性疾病的遗传风险基因大多在小胶质细胞中高表达，干预疾病进展中小胶质细胞的功能成为治疗神经退行性疾病的新策略。

然而，小胶质细胞的活化是一个高度动态且异质化的复杂过程，目前领域内对于病理状态下活化小胶质细胞的动态演化规律、功能和调控机制的研究尚不清晰。

疾病相关小胶质细胞（DAM）于2017年通过单细胞测序被首次发现，它们与稳态转录组特征不同，被定义为对中枢神经系统病理发生响应的一种特殊状态的小胶质细胞，会下调稳态基因表达水平，同时上调DAM核心基因程序的表达水平。

近年来，更多的研究逐渐证明不同神经疾病都会诱导DAM样小胶质细胞的出现，并且不同疾病状态下DAM样小胶质细胞呈现出不同的转录组特征，而DAM样小胶质细胞的细胞动力学特征及具体功能仍待进一步研究。

小胶质细胞作为一类存活时间较长且能自我更新的组织常驻巨噬细胞，具有较高的可塑性。有研究表明，DAM样小胶质细胞在疾病发生早期开始出现，在恢复阶段会经历去活化并逐渐恢复稳态，但这些拥有时空动态性的DAM样小胶质细胞究竟如何逆转活化基因程序最终恢复稳态仍不清楚。

因此，亟需一个可靠的转基因工具用以构建细胞命运图谱，追踪DAM样小胶质细胞的时空动态特征并揭示其细胞可塑性，进而探究DAM在神经疾病中的功能，为神经疾病治疗提供新的靶点。

围绕小胶质细胞的时空动态特征和可塑性，何丹阳课题组开展了一系列研究工作。课题组前期研究发现IL-33/ST2介导的小胶质细胞代谢和吞噬模块在神经发育和成年稳态维持中具有重要调控作用（He et al., 2022 Immunity）。

在本项研究中，为标记和追踪病理状态下的DAM样小胶质细胞，作者首先整合了多种神经疾病模型中小胶质细胞的转录变化，并通过生物学信息学分析发现了特征基因 Spp1在自身免疫性脑脊髓炎模型（EAE）、脱髓鞘模型、胶质母细胞瘤模型（GBM）、阿尔兹海默症模型（Alzheimer’s disease）、脊髓损伤模型（SCI）多种疾病诱导的DAM中最显著上调。

据此，作者利用Spp1-GFP报告基因小鼠观察到在不同病理状态下表达Spp1的小胶质细胞具有与病灶密切相关的空间分布。单细胞转录组分析进一步表明Spp1-GFP在不同疾病模型中标记的DAM样小胶质细胞既具有共同的DAM核心转录组特征，又具有模型特异的的转录组特征。

在脑卒中模型中，作者发现Spp1+DAM的时空演变特性和分子特征与小鼠的发育阶段密切相关：相较于青年和成年小鼠，新生小鼠大脑中Spp1+ DAM会被更快速诱导和恢复。

为了探究Spp1+DAM的命运，研究人员构建了命运谱系示踪小鼠Spp1-CreER，永久标记卒中诱导产生的Spp1+DAM，研究人员发现青年和成年小鼠被标记的Spp1+DAM会随着梗死的组织走向死亡，而新生鼠被标记的Spp1+DAM具有极强的可塑性，在损伤恢复过程中能逐渐迁移至远离梗阻核心的大脑皮层中并获得免疫稳态的分子特征。

研究人员将这些新生期损伤后出现的DAM样的、并最终能恢复稳态并持续存活的小胶质细胞定义为ex-DAM。有意思的是，尽管ex-DAM的转录组的形态特征与稳态小胶质细胞无异，但在受到脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）的诱导二次刺激后，ex-DAM更强地应答炎症刺激，更高地上调多种炎症因子的表达。ATAC-seq分析发现ex-DAM的先天免疫记忆特性可能与表观遗传特征的改变相关。

总之，本研究构建了一个全新的DAM命运谱系系统，利用其追踪DAM在损伤与修复过程中的时空动态分布，发现了卒中模型中的DAM样小胶质细胞具有年龄依赖的可塑性。

这项研究不仅厘清了领域内关于损伤后疾病相关小胶质细胞命运的长期争论，还首次揭示了新生大脑中损伤诱导产生的小胶质细胞具有极强的可塑性并能获得先天免疫记忆，这种特性可能为新生损伤对成年后大脑的持续影响提供了新的机制。

此外，本研究中构建的全新DAM操纵系统对后续解析不同疾病进展过程中DAM的功能和机制提供了工具支撑。

图1：大脑损伤诱导产生的疾病相关小胶质细胞具有年龄依赖的可塑性

西湖大学何丹阳和贾洁敏为论文共同通讯作者，2020级西湖大学-浙江大学联合培养项目博士研究生蓝杨宁和2021级西湖大学-复旦大学联合培养项目博士研究生张晓萱为本文共同第一作者，大数据分析工作主要由刘少睿完成。本项目受到科技部重点研发计划、国家自然基金委、西湖实验室、以及西湖教育基金会的资助；项目实施过程中得到了西湖大学实验动物中心、流式平台、基因组学平台、成像平台以及超算平台的大力支持。

西湖大学何丹阳课题组的研究兴趣在于探究免疫与神经系统之间的互作机制，在有机整合遗传学、细胞生物学和系统生物等多学科的基础上，将系统性地挖掘神经发育和疾病中的免疫调控机制。期望研究结果可以为全面理解神经发育调控网络、以及挖掘治疗认知障碍和神经退行性疾病的新靶点做出贡献。主要研究（1）包括脑膜免疫细胞和小胶质细胞在内的免疫系统在神经发育和神经系统疾病中的功能和分子机制; （2）脑-肠轴和肠道神经胶质细胞在肠内稳态和炎症中的分子与细胞网络。实验室目前有博士后和科研助理岗位，欢迎大家与我们联系！联系邮箱：[email protected]

西湖大学贾洁敏课题组诚挚欢迎博士后（2位）加盟，优先考虑主观能动性强、电生理学背景或病毒学背景的博士，用现代生物学技术细致研究脑血管生物学，力求精准调控局部脑血流；招聘科研助理（2位），优先考虑责任心强、具有转基因小鼠动物管理经验或者生信分析背景的本科生、硕士生或博士生。联系方式：[email protected]