少突胶质细胞的发育起源决定了它们在成人大脑中的功能撰稿：奚笛
校审：NeuExpress_北林
成年大脑中少突胶质细胞（oligodendrocytes）的发育起源如何决定其在成年大脑中的功能？
2024年6月7日，来自剑桥干细胞研究所的Robin Franklin教授和卡罗琳斯卡医学院的Gonçalo Castelo-Branco教授等人在Nature Neuroscience期刊上发表了题为“Developmental origin of oligodendrocytes determines their function in the adult brain”的研究论文。该研究主要探讨了成年大脑中少突胶质细胞（oligodendrocytes）的发育起源对其功能的影响。研究发现，小鼠胚胎前脑中不同发育阶段的少突胶质细胞前体细胞群体（oligodendrocyte progenitor cell, OPC）及其后代在空间和时间上呈现出异质性，这种异质性对于成年大脑的稳态功能至关重要。研究团队通过遗传策略消融背侧来源的少突胶质细胞系细胞，发现这些细胞在成年中枢神经系统中的正常分布区域被腹侧来源的少突胶质细胞替代，而这些异位少突胶质细胞（ectopic oligodendrocytes, eOLs）表现出独特的基因表达特征和微妙的髓鞘化异常。这些异常导致成年动物在运动和认知功能上的缺陷。该研究揭示了少突胶质细胞谱系内发育异质性的重要性及其对大脑功能的影响。
少突胶质细胞（OLs）是中枢神经系统中形成髓鞘的细胞，负责跳跃式动作电位的传播，神经递质的分泌，以及为轴突提供乳酸以进行有氧ATP生产。近年来，OLs已成为成年中枢神经系统功能可塑性的中心角色，例如，它们有助于获得新的复杂运动技能，记忆功能的改善，以及社交隔离后行为的变化。OLs有不同的发育起源。在小鼠胚胎前脑中，发育上不同的少突胶质细胞前体细胞（OPC）群体从腹侧到背侧的空间时间梯度中从三个不同的区域出现。一个早期的OPC群体在胚胎日（E）12.5时起源于腹侧内侧结节隆起和前内侧脚（MGE-AEP）区域，而在E15.5时，第二个OPC群体起源于外侧和尾侧结节隆起（LGE-CGEs）。随后，第三个由皮质前体细胞背侧产生的OPC群体，遍布整个大脑皮层但不包括腹侧端脑。最早形成的OPC对内神经元表现出单向接触排斥，从而引导内神经元远离血管并允许它们迁移到皮层层。然而，在出生后发育过程中，第一波OPC的数量大幅减少13，结果是成年大脑主要由第二波和第三波的OPC组成。腹侧来源和背侧来源的OPC在电学特性上无法区分。然而，OPC的起源决定了它们的再生潜力。尽管已经确立了神经元和星形胶质细胞的特定功能角色与它们的发育起源密切相关，但目前尚不清楚OL的发育起源是否也与功能相关。1. 背侧少突胶质细胞系细胞（OLCs）的损失由腹侧异位OLCs补偿为了探讨这种在时间和空间上的发育异质性是否对少突胶质细胞具有功能上的影响，作者使用了双报告基因小鼠，其中少突胶质细胞前体细胞及其少突胶质细胞后代根据它们的发育起源被标记。为了追踪来自背侧前脑的少突胶质细胞前体细胞，作者使用了Emx1-Cre小鼠品系来激活tdTom，而来自腹侧前脑的少突胶质细胞前体细胞表达eGFP。在控制组小鼠的皮层中，大约70%的少突胶质细胞前体细胞是背侧来源的，这一比例在产后第7天达到90%以上，并在整个成年期保持这一水平。通过将Emx1-Cre/Sox10-eGFP-tdTom双转基因小鼠与一个表达白喉毒素片段A（diphtheria toxin fragment A , DTA）的转基因品系杂交，特异性地消融了背侧来源的少突胶质细胞系细胞。在成年动物中，结果显示大脑皮层、胼胝体和小脑中背侧来源的少突胶质细胞系细胞的消融率在70-85%之间。作者在大脑皮层进行了进一步分析。在消融小鼠的大脑皮层中，与非消融对照组相比，背侧来源的tdTom+少突胶质细胞系细胞数量下降，而腹侧来源的eGFP+细胞数量相对增加：产后第3天时，90%的少突胶质细胞前体细胞是eGFP+，这一比例在产后第7天和第21天保持稳定。作者将这些在通常由tdTom+背侧来源细胞主要占据的区域丰富的eGFP+细胞称为异位少突胶质细胞系细胞。尽管eGFP+和tdTom+细胞的比例向腹侧来源的eGFP+细胞发生了显著变化，但在成年动物的大脑皮层中，作者发现Pdgfra+少突胶质细胞前体细胞和CC1+成熟少突胶质细胞的总数没有变化。消融背侧来源的少突胶质细胞系细胞并未伴随着少突胶质细胞前体细胞增殖反应的变化，这与正常少突胶质细胞密度的维持一起表明，腹侧少突胶质细胞已经在出生前以足够的数量填充了发育中的皮层。因此，在消融背侧来源的少突胶质细胞系细胞后，少突胶质细胞前体细胞的数量得以维持，这是由于腹侧来源的少突胶质细胞前体细胞的持续存在。![]()
图1. 腹侧起源的细胞可以完全恢复dOPCs的基因消融。
2. 背侧前脑的异位少突胶质细胞表现出微妙的髓鞘化变化接下来，作者评估了对照组和消融动物的胼胝体（CC）和大脑皮层的髓鞘化情况。在CC中，作者发现消融动物在产后第13天和第21天时G比率（内轴突半径与外髓鞘轴突半径之比）有微妙且短暂的增加，但在第40天时没有，这表明异位少突胶质细胞形成了稍微薄一些的髓鞘（图2a）。相反，在消融动物的深层皮层中，尽管在P21时G比率没有差异，但在P40和P90时，与较小直径轴突相关的G比率更高（图2b,c）。使用免疫电子显微镜检测荧光标记蛋白tdTom和eGFP，作者发现成年动物中无论是背侧还是腹侧起源的细胞形成的髓鞘的紧密度没有差异（图2d）。通过MBP免疫组织化学染色评估的皮层第5至6层的整体髓鞘化水平在P90时也保持不变（图2e）。在对照组和消融动物的皮层第1层的光谱共聚焦反射（SCoRe）成像显示，在样本场中存在的髓鞘化轴突的长度或单位面积内的总髓鞘量（髓鞘体积分数）没有差异（图2f）。然而，作者观察到成年消融动物的平均节间长度有所增加（图2f）。使用超分辨率显微镜，作者发现对照组和消融动物之间的节点长度没有差异。尽管如此，在成年消融动物中检测到了副节点长度的减少（图2g），鉴于这些动物中一部分轴突表现出较薄的髓鞘，这是一个预期的发现。对Ankyrin G的免疫染色显示，新皮层锥体神经元的轴突初始段在对照组和消融成年动物之间没有变化（图2h）。因此，腹侧来源的少突胶质细胞前体细胞（vOPCs）并没有完全补偿dOPCs的缺失，形成了一群具有微妙髓鞘化差异的异位新皮层eOLs，与背侧起源的OLs介导的髓鞘化模式不同（图1和2）。![]()
图2. 由eolc衍生的OLs形成的髓鞘厚度在空间和时间上有轻微的限制。
3. 异位少突胶质细胞在背侧前脑的髓鞘化导致运动变化为了探究这些微妙的髓鞘变化是否会引起功能性异常，或者异位少突胶质细胞系细胞（eOLCs）是否仍然能够在功能上补偿背侧少突胶质细胞系细胞（dOLCs），作者进行了一系列运动测试，因为在运动皮层内dOLCs被eOLCs大量替代。由eOLCs占据皮层的小鼠（消融小鼠）在水平平衡木行走测试中表现出明显的缺陷（图3ai,ii），步幅宽度减少（步态测试）（图3bi,ii），以及协调快速运动的能力受损（垂直木条测试）（图3c）。然而，它们在转棒和水平梯子测试中没有表现出缺陷，并且具有典型的警觉性、肌肉力量和触觉（扩展数据图，见原文）。由于Emx1-Cre特异性作用于前脑，而在小脑和脊髓中SOX10+/tdTom+少突胶质细胞的数量可以忽略不计（扩展数据图，见原文），作者推断运动表型是由于大脑皮层功能障碍引起的。![]()
图3. dOPCs的消融会导致行为缺陷
4. 背侧前脑的异位少突胶质细胞髓鞘化导致认知变化作者随后使用啮齿动物连续执行任务（rCPT）测试了消融小鼠的认知变化，这项任务通过要求小鼠区分视觉“目标”和“非目标”刺激并对目标作出反应来评估注意力（图3d）。消融小鼠显示出命中率（HR）（图3d(i)）和误报率（FAR）（图3d(ii)）的增加，表明对“目标”或“非目标”刺激作出反应的标准c（阈值）降低（图3d(iii)），而目标与非目标刺激之间的感知辨别力d′（perceptual discriminability）保持正常（扩展数据图，见原文）。观察到的行为结果（低c和正常的d′）可能表明消融小鼠的冲动反应，这一结论得到了以下观察的支持：只有当小鼠面临缩短的刺激持续时间（SDs）时，标准c的变化才明显。在基线条件下，较长且一致的SD并未检测到标准c的变化（扩展数据图，见原文）。消融小鼠表现出增加的冲动性的假设进一步得到了响应潜伏期减少（图3d(iv)）的支持，同时奖励收集潜伏期未改变（图3d(v)），排除了运动速度差异的可能性。然而，对照组和消融动物在刺激反应上的差异也可能源于区分形状的无能或固执己见。因此，作者接下来进行了视觉辨别力和逆转学习（扩展数据图，见原文）的测试，排除了消融小鼠在感知辨别力和固执己见上的任何缺陷。最后，通过正常的消退学习（扩展数据图，见原文）排除了对奖励缺失不敏感作为无差别反应的潜在原因。总的来说，这些数据表明消融小鼠表现出一种冲动的表型，表明前额叶抑制控制受损。在CPT任务中的这种行为模式类似于小鼠前扣带皮层（ACC）损伤后的模式，表明ACC可能参与控制消融小鼠观察到的冲动表型。5. 消融背侧少突胶质细胞系细胞导致一种神经元亚型的微小变化为了评估作者观察到的功能缺陷是否由于在消融过程中对少突胶质细胞系以外的细胞产生的“非目标”效应，作者对少突胶质细胞系细胞、小胶质细胞和星形胶质细胞标记物进行了免疫组织化学染色（图4a-d），以及对星形胶质细胞标记物进行了WB分析（扩展数据图5，见原文）。作者在P0和P90时未检测到少突胶质细胞系细胞、小胶质细胞或星形胶质细胞的数量变化（图4a-d）。为了进一步研究消融后胶质和神经元群体的转录景观，作者在P0时从运动皮层分离的核中进行了带有条形码抗体的单核RNA测序（snRNA-seq），捕捉到消融dOPCs正在进行的发展时期。在测序前，来自不同样本和生物学重复的核被独特地用条形码抗体标记，以最小化潜在的批次效应及其对样本组成的影响（图4e,f）。尽管dOLCs持续减少，但作者在这一时间点上通过频率分析和MELD28的扰动分析，并未检测到大多数群体的比例或基因表达模式有任何差异（图4g）。在本研究的数据集中没有观察到小胶质细胞。然而，作者发现Ebf1+投射抑制性内神经元（簇Sl）的比例有轻微下降。使用RNAscope的Ebf1+投射抑制性内神经元的数量差异没有复制出来。基于RNAscope的原位杂交分析表明，在P0和成年动物的大脑皮层中，兴奋性和抑制性神经元的总数，P0时的Ebf1+投射抑制性内神经元或成年动物的运动神经元数量没有差异，这表明snRNA-seq检测到的微小差异可能是由于区域解剖的差异造成的（扩展数据图，见原文）。因此，作者无法检测到消融dOLCs对其他细胞类型有显著影响，并得出结论，运动和认知表型最有可能是由OLCs本身的变化引起的。![]()
图4. dOLCs的消融不会导致新皮层中其他类型细胞组成的显著改变。
6. 背侧前脑的异位少突胶质细胞与原始少突胶质细胞不同为了研究运动和认知缺陷是否由于异位腹侧少突胶质细胞系细胞（vOLCs）未能完全补偿它们所替代的背侧少突胶质细胞系细胞（dOLCs）群体，作者对成年新皮层（dOLCs的主要位置，与行为测试有关）中对照组（Emx/tdTom）和消融组（Emx/tdTom/DTA）小鼠通过流式细胞排序的SOX10+少突胶质细胞系细胞进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）（图5）。dOPCs和vOPCs产生了所有成熟的少突胶质细胞（MOL）亚型，频率相似，主要是MOL5和MOL6（MOL5/6）（扩展数据图8，见原文）。然而，细胞聚类分析揭示了新的消融特异性MOL5/6亚簇（MOL5/6a和MOL5/6d），它们基于起源的不同而有不同的相对贡献（图5a,b）。Wilcoxon秩和检验的基因表达差异表明，与对照dOLs相比，MOL5/6中的eOLs具有不同的转录谱，其中包括L1CAM途径、脂肪酸代谢和鞘磷脂代谢等生物过程中涉及基因的表达降低（图5c,d）。作者还使用MELD28进行了扰动分析，并确认MOL5/6a和MOL5/6d最受背侧OPCs消融的影响（图5e），其中Tubb3基因上调，Eya2基因下调（图5f）。在scRNA-seq数据中eOLs下调的基因之一是Tppp，其在OLs中的消融表型复制了背侧OPC消融后观察到的髓鞘缺陷，即减少了髓鞘的长度和厚度，而不影响整体鞘的数量。qPCR和RNA荧光原位杂交（FISH）验证确认，从对照和消融动物分离的OLs中Tppp表达下调。此外，与对照dOPCs相比，eOPCs中涉及翻译后蛋白质修饰调节、生长因子反应性和大分子运输的基因表达降低。因此，eOLCs获得了与它们所替代的正常dOLCs不同的转录谱，导致微妙的髓鞘化变化，这可能解释了与消融相关的运动和认知变化。![]()
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图5. dOPCs的消融改变了OL亚群的转录谱。
本研究显示，尽管来自不同发育起源的少突胶质细胞系细胞（OLCs）可以占据并髓鞘化中枢神经系统的某些区域，但它们无法以最佳功能的方式做到这一点。特别是，由腹侧而非背侧起源的OLCs主导的新皮层髓鞘化会导致运动和认知行为的缺陷。研究结果表明，OL的发育起源对于中枢神经系统的最佳功能至关重要。研究排除了其他可能的解释，如消融过程中髓鞘化节奏的变化，以及消融过程可能对非少突胶质细胞系细胞产生的非细胞自主影响。通过单核RNA测序（snRNA-seq）和单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析，研究揭示了消融背侧少突胶质细胞系细胞（dOLCs）后，腹侧起源的异位少突胶质细胞系细胞（eOLCs）在基因表达和髓鞘形成方面的微妙差异，这些差异可能导致了观察到的运动和认知行为变化。此外，研究还提出了OPCs在某些神经发育疾病（如精神分裂症和自闭症）的病理生理学中可能的作用，以及人类中发育不同的OLC群体的存在性。Robin Franklin博士是 Altos Labs 剑桥科学研究所的一名主要研究员。Robin 之前是剑桥大学 Wellcome-MRC 干细胞研究所的干细胞医学教授。他的实验室在成年中枢神经系统前体细胞如何替代丢失的少突胶质细胞的机制方面做出了许多开创性的发现，描述了它们如何随着年龄的增长而功能下降，以及如何通过例如部分重编程和操纵生态位的物理属性来逆转这一过程。Robin的实验室研究成年体细胞老化的潜在机制。他是剑桥大学生物学院的荣誉教授，并且是医学科学院和皇家学会的研究员。他曾获得2017年Barancik国际研究创新奖和2021年国王费萨尔医学奖。
https://www.altoslabs.com/team/robin-franklinhttps://www.nature.com/articles/s41593-024-01666-8如果您对脑科学传播感兴趣，或者期待通过撰写文献解读督促自己阅读和思考最新的文献，亦或者是您想通过撰写文献解读锻炼自己的科学写作能力，欢迎联系NeuExpress编辑部，联系方式：
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