项目文章|人脑研究风云再起,小胶质细胞研究新进展
2022.03.24

2022年3月,中国科学院动物学研究所干细胞与生殖生物学国家重点实验室焦建伟老师、王雁玲老师及北京大学杜鹏老师、靳蕾老师在知名期刊Cell Stem Cell(IF: 24.633)在线发表了题为“Decoding the temporal and regional specification of microglia in the developing human brain”的研究文章,通过对人类胚胎各脑区的小胶质细胞的单细胞转录组分析,全面地揭秘了发育阶段人脑小胶质细胞的区域特异性和状态转换的时空动力学,并在和小鼠联合分析中,比较了两物种间状态转换的保守性和分子差异。安诺优达为本次研究提供了10X单细胞转录组测序服务。


图片1.png


研究背景


在脑部发育和神经炎症领域,作为中枢神经系统(CNS)的天然免疫细胞——小胶质细胞发挥着重要的作用,然而卵黄囊组织中相同红髓系祖细胞的小胶质细胞在四个脑区(大脑皮层、间脑、中脑和小脑)的发育路径、状态转换、相关功能特征等领域的研究尚不清楚。


在小鼠的scRNA-seq研究中,小胶质细胞高度异质性和发育相关复杂性的特点已得到证实。此次研究者以人类胚胎不同脑区的小胶质细胞为研究对象,首次发现小胶质细胞在早期胚胎发育中的状态转变,并评估了不同物种之间状态转换的保守性和分子差异。


实验材料


人类胚胎Carnegie Stage (CS) 12卵黄囊和头部组织;

不同孕期的不同脑区包括大脑、间脑、中脑、小脑。


测序策略


10x Genomics单细胞转录组测序


研究思路


图片2.png


研究结果


小胶质细胞单细胞转录组图谱的构建


研究者使用10X单细胞转录组测序技术构建了人类胚胎脑部小胶质细胞的单细胞转录组图谱,根据分选出的CD45+CD33+ 细胞,对卵黄囊、头部组织、在多个原肠胚形成周的大脑不同解剖位置多位置成分进行分析,识别出20个cluster,成功定义起源、增殖、免疫应答和神经元基因富集四大类小胶质细胞。源于卵黄囊的早期小胶质祖细胞,在人类CS12胚胎的头部表现出细胞增殖、免疫反应和神经系统发育三个明显的分化潜能。


图片3.png

图1 人脑不同发育区域小胶质细胞的scRNA序列和小胶质祖细胞的早期发育


两个小胶质细胞区域规范的发育轨迹——神经元基因富集和免疫


在大脑发育的不同阶段,富含神经元基因的小胶质细胞早在GW8短暂地出现过;免疫小胶质细胞也在后期(GW23左右)表现出其区域特异性。


因此通过Monocle2和URD进行拟时间分析,重现同组CS12原始髓系祖细胞的神经元基因富集和免疫相关小胶质细胞的发育轨迹,结果表明来自CS12卵黄囊和头部(C2/C3)的小胶质祖细胞首先开始增殖,形成不同周期阶段(C6/C9/C10)的小胶质细胞,从而向免疫和神经元基因富集两种分化方向过渡。


图片4.png

图2 小胶质细胞区域特异性的发育轨迹


免疫相关区域特异性小胶质细胞的独特特征


研究者进一步对两类区域特异性小胶质细胞进行探索。富含免疫或神经元基因富集的小胶质细胞携带转录组信息不同,这可能与中枢神经系统早期发育四个脑区的各种功能和动态微环境有关。为更准确分析胎儿中枢神经系统早期发育小胶质细胞的状态转换,使用FACS和10x单细胞转录组测序,从Cor区分离并富集CD45IntCD11Bpos阳性细胞,最后获得25891个小胶质细胞,从而利用新发现的亚群更全面地构建了大脑皮层小胶质细胞的高分辨率发育图谱。


胎儿小胶质细胞的区域特异性和状态转换之间也表现出了明显的潜在联系。干扰人类小胶质细胞内稳态基因可使人类小胶质细胞从相对静息状态退出,过渡到激活状态。经典稳态基因SLC2A5与CNS疾病相关的基因的高表达共同诱导激活了免疫相关的小胶质细胞簇,从而揭示出胎儿脑部特异性的小胶质细胞的独特特征。



图片5.png

图3 区域特异性小胶质细胞的独特特征


图片6.png


图4 区域特异性的胎儿小胶质细胞静息——激活状态改变


人和小鼠发育中状态转换存在保守性和分子特征差异


选用小鼠卵黄囊(E8.5)、头部组织(E9.5)及大脑Cor组织(E10.5-P20)的Cd45intCd11bpos细胞进行单细胞转录组测序,人类小胶质细胞通过激活CX3CR1、TMEM119和P2RY12/13的表达,在GW8开始获得内稳态。诱导典型的小胶质细胞激活基因,可使其在GW23被沉默,这代表人类胚胎活动状态的转变。小鼠中静息相关基因的诱导主要发生在E13.5,直至小鼠出生这些基因才出现减少,小胶质细胞进入活跃期。因此发育的小胶质细胞在静息——激活状态转换是保守的,但分子特征是不同的。


巨噬细胞相关基因方面,LYVE1、MRC1和F13A1在人类早期YS或head中的表达最高,然后逐渐降低。相比之下,小鼠Lyve1、Mrc1和F13a1基因表达在E10.5中高度富集,在早期胚胎发育中下降。人类 CS12-Head在转录组水平上与小鼠E10.5最相似。大多数其他细胞类型可以合并,人类和小鼠的几种细胞类型和发育途径也是保守的。


进一步DEGs的分析表明,人和小鼠小胶质细胞间在物种特异性基因的表达、功能亚类上存在确定性的差异。基因集富集分析(GSEA)显示,人类的细胞粘附分数、细胞因子相互作用、MAPK信号通路和Toll样信号通路更丰富。此外,研究者还鉴定出了PT-MG、AR-MG、CM-MG、MiR-MG和SP-MG集群中的人类和小鼠DEG。




图片7.png


图5 人和小鼠小胶质细胞在发育中状态转换的保守性


图片8.png

图6 人和小鼠小胶质细胞分子特征的差异


总结

作者通过对发育中的人类胚胎各脑区的小胶质细胞的单细胞转录组分析,并结合实验验证,首次定义并描述了区域规范和状态转换相关的小胶质细胞的发育轨迹;在神经元基因富集相关的小胶质细胞中,重新鉴定出了几个具有区域特异性的相关亚类;在免疫相关的小胶质细胞中,它们在中枢神经系统发育的后期表现出区域特异性,同时它们也出现了静息——激活状态的改变;此外,人和小鼠小胶质细胞在发育中状态转换具有保守性,但存在分子差异。


参考文献

Yanxin Li, Zhongqiu Li, Min Yang, etal.Decoding the temporal and regional specification of microglia in the developing human brain[J]. Cell Stem Cell,2022.