TMEM119

在不眠之夜辗转反侧的人都知道，长期睡眠不足会大大影响我们的工作和生活状态。以往的研究表明，睡眠不足与老年人认知能力下降有关，被认为是阿尔茨海默病 (AD) 的危险因素，但其潜在机制仍不清楚。在一项来自美国圣路易斯华盛顿大学医学院的研究中，研究人员使用不同的基因小鼠模型来研究睡眠不足的影响，这些模型在大脑中过量产生淀粉样蛋白沉积物。实验发现，睡眠不足可能会降低大脑中的免疫细胞功能，从而导致认知能力下降。该研究题为“Sleep deprivation exacerbates microglial reactivity and Aβ deposition in a TREM2-dependent manner in mice”，发表在SCIENCE TRANSLATIONAL MEDICINE杂志。 来源：DOI: 10.1126/scitranslmed.ade6285不规则的睡眠模式与患神经退行性疾病相关痴呆等疾病有关。睡眠不足已被证明会影响记忆巩固、大脑废物清除以及炎症的神经胶质形态变化。该团队以往的研究发现，小鼠和人类的急性睡眠剥夺会导致脑间质液和脑脊液 (CSF) 中的两种蛋白质在数小时内迅速增加，这两种蛋白质构成了最常见的神经退行性痴呆的关键病理特征—阿尔茨海默氏病 (AD)。此外，小鼠长期睡眠不足会增加小鼠大脑中的淀粉样蛋白-β (Aβ) 斑块。这有力地表明，生命早期的睡眠不足可能会引发大脑中的病理机制，从而加速神经退行性疾病的发作和进展。最近发现，小胶质细胞中表达的几种免疫调节基因的变异体，包括 2 型骨髓细胞表达的触发受体 (TREM2)，会增加患 AD 的风险。因此，作者研究了慢性睡眠剥夺是否影响野生型 (WT) 小鼠和淀粉样蛋白斑沉积 5xFAD 小鼠的小胶质细胞功能，并且进一步研究 TREM2 作为 AD 病理学中的关键免疫调节成分是否是必需的。作者首先探究了慢性睡眠剥夺对 Aβ 斑块病理学的影响，当小鼠 2.5 个月大时大脑中开始出现 Aβ 斑块，睡眠剥夺实验就开始，并持续超过 6 周，之后对小鼠进行安乐死，以研究大脑中早期斑块沉积的变化。结果发现，睡眠剥夺的小鼠睡眠百分比和睡眠时间长度都在下降。此外作者发现，长期睡眠剥夺增加了小分子X34染色的纤维状Aβ斑块和总体免疫阳性Aβ斑块。免疫阳性 Aβ 斑块积累的增加仅存在于睡眠剥夺的5xFAD/T2 CV小鼠中，而在TREM2功能丧失的小鼠中未发现。来源：DOI: 10.1126/scitranslmed.ade6285总之，这些发现表明，正常的 TREM2 功能对于调节 5xFAD 小鼠模型中的 Aβ 沉积非常重要，并且 TREM2 是睡眠剥夺对淀粉样蛋白沉积的影响所必需的。作者接下来通过检查反应性和稳态小胶质细胞标记物的变化来研究睡眠剥夺是否影响小胶质细胞功能。结果发现，睡眠剥夺后，表达 P2RY12和 TMEM119的稳态小胶质细胞群显着减少。睡眠剥夺的小鼠中小胶质细胞溶酶体和反应性小胶质细胞标记物增加，表明睡眠剥夺会导致小胶质细胞功能降低。总体而言，这些发现表明，无论是否存在Aβ斑块，TREM2 都需要促进小胶质细胞表型功能失调，以应对慢性睡眠剥夺。来源：DOI: 10.1126/scitranslmed.ade6285由于作者观察到睡眠剥夺引起的淀粉样蛋白斑块负担增加以及 CD68 +小胶质细胞增加以及这些细胞中纤维状 Aβ 的增加，作者假设小胶质细胞介导的 Aβ 降解可能会受损并且无法应对细胞需求由睡眠不足引起的代谢压力引起。为了解决这一假设，作者使用透射电子显微镜研究了溶酶体形态，发现长期睡眠剥夺会导致溶酶体增大。此外，在缺乏 Aβ 斑块的情况下，睡眠剥夺是损害小胶质细胞溶酶体功能的主要代谢应激源，这也可能导致无法处理和排泄底物的神经元的额外负担，特别是在小胶质细胞功能失调的情况下。来源：DOI: 10.1126/scitranslmed.ade6285作者最后又分析脑脊液来进一步研究睡眠不足是否导致蛋白质组的整体变化，以确定在存在或不存在 Aβ 斑块的情况下与睡眠和 TREM2 基因型相关的变化独特或相似的蛋白水解过程。结果发现，尽管 TREM2 或β -淀粉样前体蛋白 (APP) 等其他遗传因素可能补偿或影响睡眠剥夺引发的特定途径，但睡眠不足最终会导致代谢功能障碍。总之，该研究结果表明，慢性睡眠不足在调节小胶质细胞炎症和代谢反应以及大脑中 Aβ 斑块负担方面发挥着关键作用。这项研究提出了有关绘制疾病进展早期变化的重要问题，并表明睡眠不足、Aβ、TREM2 和小胶质细胞反应性之间存在相互作用。根据梅奥诊所的数据，估计有 25% 患有轻度至中度疾病的人睡眠受到干扰，而当病情严重时，估计有 50% 的人存在睡眠问题。可见充足的睡眠有多重要，2024年才刚刚开始，祝愿大家都能够有充足的睡眠，健康的身体！来源：DOI: 10.1126/scitranslmed.ade6285撰文 | Cathy编辑 | 小白精彩推荐：1、想吃甜食又不想长肉、升血糖？Nature子刊破解天然糖代谢之谜2、想聪明多运动！斯坦福大学Nature发文：运动对大脑有保护作用，“换血”可升级抗炎能力，对神经发生和记忆大有裨益3、久坐伤身不用怕！《英国运动医学杂志》发现每天只需这样运动22分钟即可抵消久坐带来的死亡风险4、延寿新方法！Nature Aging证实：抑制特定自噬基因可以延长寿命、改善健康！5、首个！Cell Stem Cell：美国南加州大学开发出具备功能性小脑细胞的人脑类器官！本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！

巨噬细胞 巨噬细胞是免疫系统中不可或缺的组成部分，广泛分布在不同组织中，并在发育、器官形成、稳态维持和疾病发生发展中发挥关键作用【1】。巨噬细胞异质性显著，主要表现在形态、定位、基因表达谱及功能等方面，这些表型由巨噬细胞的发育起源和驻留的微环境所决定【2】。具有组织特异性特征的巨噬细胞包括中枢神经系统的小胶质细胞（Microglia）、肝脏的枯否细胞（Kupffer cells）和表皮的朗格汉斯细胞（Langerhans cells）等。还有一些分布于多个器官的巨噬细胞，如血管周围巨噬细胞（Perivascular macrophages）。 基于啮齿类动物的研究结果，学术界对巨噬细胞亚型的多样性、发育起源以及组织特异性的形成有了一定的认识【3】。然而，这些发现是否适用于人类仍是未知数，特别是人类胚胎发育过程中巨噬细胞的多样性、发育起源、功能及成熟的动态过程等问题还缺乏深入而全面的研究。 2023年9月12日，中国科学院深圳先进技术研究院李汉杰课题组联合深圳市宝安区妇幼保健院、深圳大学、上海交通大学和复旦大学等单位在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表了题为：An immune cell atlas reveals the dynamics of human macrophage specification during prenatal development 的研究论文。 研究团队结合单细胞转录组测序、先进的生物信息学手段、多重免疫荧光染色、体外功能实验等技术，构建了横跨18个发育阶段、19种组织的人类胚胎免疫系统发育高分辨率图谱。研究团队重点关注了最具组织特异性的巨噬细胞，鉴定了15种巨噬细胞亚型，其中包括两种新的巨噬细胞亚型，即存在于表皮、睾丸、心脏等外周组织的类小胶质细胞（Microglia-like cells）和具有血管生成促进功能并广泛分布于多个组织中的促血管生成巨噬细胞（Proangiogenic macrophages，PraM）。 该研究通过构建人类产前免疫细胞发育的时空动态图谱，揭示了多种巨噬细胞亚型在发育过程中的分化起源、空间定位、功能特征及转录调控机制。 人类免疫系统发育的单细胞时空图谱 研究团队对来自受孕后4-26 PCW（Postconceptional Week，PCW）囊括19种人类胚胎组织样本的免疫细胞进行了单细胞转录组测序，获得了近30万个高质量的免疫细胞 （图1），并鉴定了11种主要的免疫细胞类型，包括：巨噬细胞（Macrophages）、祖细胞（Progenitor cells）、B 淋巴细胞、T 淋巴细胞、先天淋巴细胞（Innate-like lymphocytes）、自然杀伤细胞（Natural killer cells）、树突状细胞（Dendritic cells）、单核细胞（Monocytes）、巨核细胞（Megakaryocytes）、粒细胞（Granulocytes）和红细胞（Erythrocytes）。在此基础之上，研究团队对每一种主要的免疫细胞类型进行了更细致的分类，最终注释得到56种免疫细胞亚型。 研究团队重点对巨噬细胞进行了研究并将其进一步细分为了15个亚群。通过时空分析，他们发现在人类胚胎发育时期，巨噬细胞就已经具有了显著的组织特异性。在4 PCW左右（器官初形成阶段），巨噬细胞前体就已经出现在胚胎以及卵黄囊中并一直持续到大概8 PCW，直到被成熟的组织驻留巨噬细胞所替代。 图1 构建人类免疫系统发育时空图谱

巨噬细胞是免疫系统中不可或缺的组成部分，广泛分布在不同组织中，并在发育、器官形成、稳态维持和疾病发生发展中发挥关键作用[1]。巨噬细胞异质性显著，主要表现在形态、定位、基因表达谱及功能等方面，这些表型由巨噬细胞的发育起源和驻留的微环境所决定[2]。具有组织特异性特征的巨噬细胞包括中枢神经系统的小胶质细胞（Microglia）、肝脏的枯否细胞（Kupffer cells）和表皮的朗格汉斯细胞（Langerhans cells）等。还有一些分布于多个器官的巨噬细胞，如血管周围巨噬细胞（Perivascular macrophages）。基于啮齿类动物的研究结果，学术界对巨噬细胞亚型的多样性、发育起源以及组织特异性的形成有了一定的认识[3]。然而，这些发现是否适用于人类仍是未知数，特别是人类胚胎发育过程中巨噬细胞的多样性、发育起源、功能及成熟的动态过程等问题还缺乏深入而全面的研究。2023年9月12日，中国科学院深圳先进技术研究院李汉杰课题组联合深圳市宝安区妇幼保健院、深圳大学、上海交通大学和复旦大学等单位在Cell期刊在线发表题为“An immune cell atlas reveals the dynamics of human macrophage specification during prenatal development”的文章。研究团队结合单细胞转录组测序、先进的生物信息学手段、多重免疫荧光染色、体外功能实验等技术构建了横跨18个发育阶段、19种组织的人类胚胎免疫系统发育高分辨率图谱。研究团队重点关注了最具组织特异性的巨噬细胞，鉴定了15种巨噬细胞亚型，其中包括两种新的巨噬细胞亚型，即存在于表皮、睾丸、心脏等外周组织的类小胶质细胞（Microglia-like cells）和具有血管生成促进功能并广泛分布于多个组织中的促血管生成巨噬细胞（Proangiogenic macrophages, PraM）。该研究通过构建人类产前免疫细胞发育的时空动态图谱，揭示了多种巨噬细胞亚型在发育过程中的分化起源、空间定位、功能特征及转录调控机制。 人类免疫系统发育的单细胞时空图谱研究团队对来自受孕后4-26 PCW（Postconceptional Week，PCW）囊括19种人类胚胎组织样本的免疫细胞进行了单细胞转录组测序，获得了近30万个高质量的免疫细胞(图1)，并鉴定了11种主要的免疫细胞类型，包括：巨噬细胞（Macrophages）、祖细胞（Progenitor cells）、B 淋巴细胞、T 淋巴细胞、先天淋巴细胞（Innate-like lymphocytes）、自然杀伤细胞（Natural killer cells）、树突状细胞（Dendritic cells）、单核细胞（Monocytes）、巨核细胞（Megakaryocytes）、粒细胞（Granulocytes）和红细胞（Erythrocytes）。在此基础之上，研究团队对每一种主要的免疫细胞类型进行了更细致的分类，最终注释得到56种免疫细胞亚型。研究人员重点对巨噬细胞进行了研究并将其进一步细分为了15个亚群。通过时空分析，他们发现在人类胚胎发育时期，巨噬细胞就已经具有了显著的组织特异性。在4 PCW左右（器官初形成阶段），巨噬细胞前体就已经出现在胚胎以及卵黄囊中并一直持续到大概8 PCW，直到被成熟的组织驻留巨噬细胞所替代。在这些巨噬细胞中，一部分亚型具有显著的组织特异性特征，如中枢神经系统中的小胶质细胞，肝脏中的枯否细胞、表皮中的朗格汉斯细胞等。而另外一部分亚型共享于多个组织中，如促血管生成巨噬细胞以及其前体细胞（pre-Proangiogenic macrophages, pre-PraM）。研究团队还发现肾上腺中有一群特有的组织驻留巨噬细胞（AXL+, FCGR3A+），睾丸中也存在一群特有的组织驻留巨噬细胞（MMP9+）和一群具有破骨细胞特征的巨噬细胞（ACP9+, SIGLEC15+, MMP9+）。图1 构建人类免疫系统发育时空图谱中枢神经系统之外的类小胶质细胞在本研究中，研究人员首次在胚胎多个外周组织（皮肤、心脏及睾丸）中鉴定出一群和小胶质细胞有相似基因表达谱特征的巨噬细胞（图2）。这一发现打破小胶质细胞只存在于脑及脊髓中的传统认知。这群细胞高表达P2RY12, TMEM119, SALL1, C3等和小胶质细胞相同的特征基因，并且在无监督聚类分析中，这群细胞也和脑、脊髓中的小胶质细胞聚为一类。研究人员因此将这群新发现的分布在多个外周组织的细胞命名为类小胶质细胞（Microglia-like cells）。流式分析进一步验证了这群外周组织中的类小胶质细胞与中枢神经系统中的小胶质细胞一样，都呈现CD45lowP2RY12+MRC1-的表型。此外，基于多重免疫荧光实验，发现类小胶质细胞在Carnegie Stages 12（CS12）时期就已经出现在表皮组织中。在14 PCW之前，类小胶质细胞一直是表皮中最主要的免疫细胞，此后细胞比例才开始逐渐减少，在20 PCW之后，基本被朗格汉斯细胞替代。在胚胎心脏中，类小胶质细胞最早出现在CS13的主动脉（aorta）中，并且在26 PCW之前一直是主动脉中最主要的免疫细胞。而成人主动脉组织中则检测不到这群类小胶质细胞。在胚胎睾丸中，类小胶质细胞最早能够在CS14的时候被检测到，主要存在于附睾（epididymis）中的输出小管（efferent duct）周围，而在睾丸实质（parenchyma）中比例则较低。图2 外周器官中的类小胶质细胞与中枢神经中的小胶质细胞的表型一致表皮和中枢神经系统均起源于外胚层，而主动脉和附睾则起源于主动脉-性腺-中肾（aorta-gonad-mesonephros, AGM）区域。研究团队推测，小胶质细胞以及类小胶质细胞的前体从卵黄囊迁移到外胚层和 AGM 区域，随后在这两个区域独立分化为小胶质细胞或类小胶质细胞。表皮驻留的类小胶质细胞呈极化分布与神经嵴细胞互作并调控其分化由于类小胶质细胞在表皮中最为丰富，研究团队进一步研究了它们在表皮组织中的功能。研究团队发现，与四肢和腹部皮肤相比，类小胶质细胞在背部和头部表皮中比例更高。在9 PCW时，背部表皮中几乎所有的免疫细胞都是类小胶质细胞，而四肢表皮中约60%的免疫细胞是类小胶质细胞。进一步定量分析表明，在胚胎发育不同阶段，背部表皮的类小胶质细胞都比四肢表皮更多，分布更密集（图3）。类小胶质细胞在表皮中的极化分布模式与神经嵴细胞（neural crest cells， NCCs）的背外侧迁移路线（dorsolateral migration）有类似之处，因此研究人员猜测表皮的类小胶质细胞与NCCs之间可能存在某种互作。NCCs是外胚层衍生的多能干细胞，背外侧迁移时可分化为黑色素细胞（melanocytes）。通过多重免疫荧光实验，研究团队发现表皮中的类小胶质细胞和NCCs之间存在直接的相互作用。与之一致的是，研究团队观察到类小胶质细胞和黑色素母细胞（melanoblasts）的密度在不同发育阶段沿表皮的背-侧-腹轴（dorsal-lateral-ventral axis）逐渐降低（图3）。为了评估类小胶质细胞对神经嵴细胞分化的影响，研究团队体外培养了来源于胚胎背部的新鲜皮肤组织块。在胚胎皮肤中清除类小胶质细胞显著减少了黑色素母细胞的数量，这提示了类小胶质细胞可能会调控神经嵴细胞向黑色素细胞的分化（图3）。图3 表皮驻留的类小胶质细胞呈极化分布，与神经嵴细胞互作并调控其分化广泛分布于多个脏器中的促血管生成巨噬细胞研究团队在多个脏器中都鉴定到了一群高表达促血管生成基因（VEGFA, TNF, IL1B, CXCL8/IL8）的巨噬细胞，并且这群细胞在不同组织中都具有相似的基因表达谱。体外成管实验也证实了这群细胞促血管生成的功能。他们进一步分析发现，这群细胞在各个脏器中都富集在血管周围（图4）。图4 促血管生成巨噬细胞富集在各个器官血管周围研究团队又进一步分析了这群促血管生成巨噬细胞的发育起源。通过多种拟时序分析算法推断这群细胞是从卵黄囊起源的巨噬细胞前体分化而来，并且中间经历了一个相对不成熟的前体状态（pre-PraM）。拟时序分析推算出的分化轨迹与细胞的真实采样时间高度一致，并且其促血管生成信号也在随之增强。此外，研究团队用成管的内皮细胞上清液培养来源于卵黄囊的早期巨噬细胞前体，发现可以诱导出表达促血管生成基因的巨噬细胞。这些结果明确了这群促血管生成巨噬细胞的发育起源。总而言之，该研究通过对人类产前阶段近30万个免疫细胞的单细胞转录组分析，着重描绘了15种巨噬细胞亚型的时空动态变化。突破性的发现了一群在转录组、特征蛋白表达、和形态上与中枢神经系统中的小胶质细胞类似且存在于皮肤、睾丸和心脏中的类小胶质细胞。它们是早期表皮中的主要免疫细胞群，沿背-侧-腹轴呈极化分布。这群类小胶质细胞可以与神经嵴细胞相互作用，并调节其向黑色素细胞的分化。通过功能、空间特征、分化轨迹的研究，研究团队还细致解析了一种尚未被充分了解的促血管生成巨噬细胞，它们驻留在多个器官的血管周围。这些促血管生成巨噬细胞与小胶质细胞均从起源于卵黄囊的巨噬细胞前体分化而来（图5）。该文章为研究人类巨噬细胞的异质性和发育提供了一个高分辨率的时空动态图谱，有助于理解其在发育过程中的不同作用。研究团队还开发了一个专门的可视化平台（http://119.8.233.169/），方便共享数据，促进研究成果的共同探索和领域发展。图5 巨噬细胞前体分化为小胶质细胞/类小胶质细胞和促血管生成巨噬细胞；类小胶质细胞在表皮与神经嵴细胞互作，并调控其分化。中国科学院深圳先进技术研究院李汉杰研究员、深圳市宝安区妇幼保健院朱元方教授、深圳大学总医院吴雪清教授、上海交通大学医学院Florent Ginhoux教授、复旦大学代谢与整合生物学研究院青年研究员王冠琳博士为本文共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院客座学生王泽帅（华中农业大学博士研究生）、吴志生（东南大学博士研究生）、研究助理冯若轻；深圳市宝安区妇幼保健院母胎医学研究所陈晓燕博士、王昊博士；复旦大学代谢与整合生物学研究院青年研究员王冠琳博士，厦门大学博士研究生李沐曦、以色列魏茨曼研究所王双寅博士为文章共同第一作者。本研究项目获得国自然科学基金、深圳市科技计划、深圳市医学重点学科建设基金、复旦大学启动基金及深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。特别声明：本次研究的所有转录组测序数据都已经按照科技部《人类遗传资源管理条例》的相关要求报备（备案号：2023BAT0642）。所有数据的获取需严格参照科技部有关规定执行。实验室简介李汉杰课题组采用“数据和假说双驱动”的研究范式，利用计算生物学，分子细胞生物学，临床样本和动物模型，深入探究人体免疫系统在发育，健康及疾病状态下的多样性、分化与功能。以第一或通讯作者（含共同）发表多篇高水平论文，包括Cell（2023，2019）、Cell Research（2020，2012）、Cellular and Molecular Immunology、Cell Discovery、Cell Reports等期刊，总引用超3400次。曾荣获中组部“海外高层次人才青年项目”、欧盟“玛丽-居里奖学金”、德国“洪堡学者”。作为首席科学家，主持科技部重点研发计划“发育编程及其代谢调节”重点专项。此外，实验室长期招收计算生物学、分子细胞生物学、免疫学、基础医学研究生/博士后，欢迎有志之士前来咨询并加入我们的研究团队。(邮箱：hj.li@siat.ac.cn)。参考文献1. Park, M.D., Silvin, A., Ginhoux, F., and Merad, M. (2022). Macrophages in health and disease. Cell 185, 4259-4279.2. Guilliams, M., Thierry, G.R., Bonnardel, J., and Bajenoff, M. (2020). Establishment and Maintenance of the Macrophage Niche. Immunity 52, 434-451.3. Mass, E., Ballesteros, I., Farlik, M., Halbritter, F., Gunther, P., Crozet, L., Jacome-Galarza, C.E.,Handler, K., Klughammer, J., Kobayashi, Y., et al. (2016). Specification of tissue-resident macrophages during organogenesis. Science 353.