大多数中枢神经系统损伤性和退行性疾病的共同特征是神经元的进行性丢失,而成年哺乳动物神经元再生能力极其有限。近年来,对体内的胶质细胞进行重编程并将其转分化为神经元已成为热门的新型治疗策略。其中星形胶质细胞(astrocytes)数量丰富,且在损伤后呈现高度反应性,被认为是诱导性神经元再生的重要候选细胞【1】。
转录因子NeuroD1是经典的神经发育调控因子,已有研究显示通过AAV诱导NeuroD1表达可将星形胶质细胞转化为神经元【2-4】。然而,近年来这一转化现象广受争议【5-7】,包括可能存在的AAV泄漏使内源性神经元被错误标记,以及星形胶质细胞转化能力所依赖的激活状态仍不明确。由于缺乏具有时间特异性与谱系追踪能力的体内遗传工具,胶质细胞-神经元转化的路径规范与时空窗口很难精确界定,限制了对NeuroD1介导转化机制的深入理解。
近日,复旦大学附属儿科医院的周文浩课题组和辛辛那提儿童医院医学中心的Q. Richard Lu课题组合作在Science Advances发表题为Neurons derived from NeuroD1-expressing astrocytes transition through transit-amplifying intermediates but lack functional maturity的论文。文章利用可诱导、可谱系追踪的NeuroD1转基因小鼠模型,系统性解析了不同损伤时相中NeuroD1诱导的星形胶质细胞向神经元的转化情况,明确了其发生在损伤核心区的特定时空依赖性,以及通过OLIG2+过渡扩增前体细胞实现细胞命运重编程的路径规范;同时提出重要警示:这些被转化的神经元样细胞缺乏电生理成熟特征,功能整合能力有限。
【构建可诱导、可追踪新模型】
首先,研究团队构建了可诱导表达NeuroD1的转基因敲入小鼠,使其与星形胶质细胞特异性Aldh1l1-creERT2小鼠相配,得到iNeuroD1GFP小鼠。其中NeuroD1-P2A-GFP融合序列可同时实现NeuroD1诱导表达及GFP标记追踪后续命运。研究团队将同样基于loxP-Stop-loxP系统控制tdTomato表达的Ai9小鼠与Aldh1l1-CreERT2小鼠杂交,构建对照小鼠。腹腔注射他莫昔芬后,两种小鼠模型中GFP和tdTomato信号位于GFAP阳性的星形胶质细胞而非神经元,证实该模型均可被用于追踪星形胶质细胞。同时证实,生理状态下诱导NeuroD1表达不能将星形胶质细胞转化为神经元。
【捕捉转化现象】
紧接着,研究团队利用小鼠脊髓半切损伤模型,在损伤早期(反应性星形胶质细胞的增殖期)诱导NeuroD1GFP表达。仅在损伤中心(星形胶质细胞聚集处)示踪到同时表达NeuroD1GFP和NeuN的神经元样细胞。对照小鼠tdTomato+星形胶质细胞中未检测到NeuN表达。后续利用snRNA-seq证实损伤中心NeuroD1GFP+NeuN+细胞群的存在,而非荧光染色假阳性。为排除损伤导致Aldh1l1启动子在内源性神经元中非特异表达的干扰,研究团队在损伤前诱导星形胶质细胞中NeuroD1 GFP表达,同样能在损伤中心发现表达NeuN和NeuroD1GFP的细胞。该部分结果证实,诱导NeuroD1表达仅可将损伤中心的反应性星形胶质细胞转化为神经元样细胞,且这类转化的细胞不是被错误标记的内源性神经元。
【探寻转化来源】
在损伤中心和远端区域的星形胶质细胞分别处于增殖和非增殖状态。为了追踪增殖亚群的命运,研究团队在损伤后注射BrdU标记增殖细胞。在损伤中心可见大部分BrdU+NeuroD1GFP+的增殖的星形胶质细胞表达NeuN。为了确定增殖的时间窗口是否会影响NeuroD1诱导的神经元转化,我们在损伤晚期(星形胶质细胞的增殖比例降低)给予他莫昔芬,即使损伤中心仍有大量星形胶质细胞聚集,也未检测到NeuN+NeuroD1GFP+ 细胞。这部分结果表明NeuroD1诱导的星形胶质细胞-神经元的转化在时空上受到限制,主要发生损伤中心反应性星形胶质细胞的过渡扩增时期(transit-amplifying phase)。
【追踪转化路径】
进一步,研究团队利用不同细胞身份标记物,追踪反应性星形胶质细胞向神经元转化的路径。在损伤早期诱导NeuroD1表达,可观察到GFAP、NeuroD1GFP、NeuN共表达现象,即星形胶质细胞向神经元转化的中间过渡态,且随着损伤进程处于中间状态的细胞比例逐渐下降。转录因子OLIG2对反应性星形胶质细胞的增殖至关重要,可作为成年期具有神经发生潜能的过渡扩增祖细胞的标志物【8-9】。研究团队在损伤中心NeuroD1GFP+细胞中检测到OLIG2表达,同时在NeuroD1GFP+细胞中也可检测到DCX(未成熟神经元标记物)的表达。这些结果表明转化细胞可能源自OLIG2+过渡扩增祖细胞,且NeuroD1介导的星形胶质细胞向神经元的转化是通过未成熟的神经母细胞发生的。
【剖析因子效应】
为了验证神经转录因子在星形胶质细胞转化过程中的关键作用,研究团队进一步构建了表达NeuroD1突变体的转基因小鼠(iNeuroD1-mut GFP),该突变体缺乏转录激活结构域。无论是损伤早期还是远期,均未能检测到到NeuroD1-mut GFP+NeuN+神经元样细胞的出现。此外,研究团队测试了另一经典重编程因子SOX2的转化能力【10】。虽然损伤中心短暂出现极少量表达NeuN或DCX细胞,但比例远低于NeuroD1诱导效果,且难以维持神经元特征,即SOX2在该模型中难以有效驱动反应性星形胶质细胞向神经元样细胞的稳定转分化。这些结果不仅明确了NeuroD1的神经发生活性对转化至关重要,也再次证实前述转化现象并非由转基因小鼠构建本身,或loxP驱动系统的非特异激活所引起的假阳性,而是NeuroD1特异效应的真实体现。
【分析功能整合】
研究团队发现NeuroD1GFP+神经元样细胞胞体显著小于内源性成熟神经元,暗示其在电活动和回路整合方面可能存在功能缺陷。在损伤后多个时间点,对损伤区的NeuroD1GFP+细胞进行膜片钳记录,尽管这些细胞表达NeuN,但绝大多数细胞保留了胶质样膜特性而没有动作电位产生,部分细胞在受到强电流刺激时仅产生单个小spikelet,同样缺乏典型神经元的重复放电模式。这些细胞虽能检测到钠通道电流,但其电生理性质仍停留在“未成熟神经元”阶段。此外,NeuroD1GFP+细胞突触密度显著低于内源神经元,提示其网络整合效率有限。这些结果显示,即使通过神经发生活性的NeuroD1驱动星形胶质细胞转化,其所得神经元样细胞在功能上仍未达到成熟神经元的标准。
综上所述,本研究通过构建具备诱导性与谱系追踪能力的NeuroD1转基因小鼠模型,精准描绘了反应性星形胶质细胞在损伤环境中被NeuroD1驱动转化为神经元样细胞的全过程,明确了这一转化事件的时空特异性和历经过渡扩增期中间细胞的路径规范,且并非所有星形胶质细胞均具备转化潜能。未来,优化神经源性因子的诱导窗口、区域靶向性和细胞状态依赖性,将是推动转化神经元实现功能成熟与网络整合的关键环节,最终有望增强其在中枢神经系统损伤与神经退行性疾病中的治疗潜力。
图:NeuroD1 诱导病灶区反应性星形胶质细胞经历过渡增殖中间状态转化为神经元样细胞
原文链接:
10.1126/sciadv.adw9296
制版人: 十一
参考文献
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