神经

Immunity:疾病相关小胶质细胞和疾病炎症相关巨噬细胞在衰老和神经退行性变中的双重发育特征

作者:佚名 来源:brainnew神内神外 日期:2022-10-24
导读

          大脑内巨噬细胞群包括实质小胶质细胞、边界相关巨噬细胞和募集的单核细胞衍生细胞。这些细胞共同控制大脑的发育和稳态,也与衰老的发病机制和神经退行性变有关。然而每种细胞群体在不同背景下的表型、定位和功能尚未解决。近期《Immunity》期刊发表了题为《Dual ontogeny of disease-associated microglia and disease inflammatory macrophages in aging and neurodegeneration》的研究论文,作者团队建立了一个

关键字:  小胶质细胞 

        大脑内巨噬细胞群包括实质小胶质细胞、边界相关巨噬细胞和募集的单核细胞衍生细胞。这些细胞共同控制大脑的发育和稳态,也与衰老的发病机制和神经退行性变有关。然而每种细胞群体在不同背景下的表型、定位和功能尚未解决。近期《Immunity》期刊发表了题为《Dual ontogeny of disease-associated microglia and disease inflammatory macrophages in aging and neurodegeneration》的研究论文,作者团队建立了一个小鼠脑髓系scRNA-seq整合来系统地描述脑巨噬细胞群。结果发现,先前在小鼠阿尔茨海默病模型中发现的疾病相关小胶质细胞(DAM)群体实际上包括两种在个体发育和功能上不同的细胞谱系:即表达神经保护信号的胚胎来源的触发受体骨髓细胞2(TREM2)依赖的DAM,以及在衰老过程中积累在大脑中的单核细胞来源的TREM2表达的疾病炎性巨噬细胞(DIMs)。而且这两个不同的细胞种群在人脑中似乎也是保守的。在这里,作者建立了脑髓系细胞在发育、内稳态和疾病中的异质性本体发育解析模型,并确定了治疗神经退行性变的细胞靶点。

        1.M-Verse:生成通用集成以识别跨多个数据集的鼠脑巨噬细胞亚群

        鉴于不同的单细胞RNA测序(scRNA-seq)研究对小鼠脑中巨噬细胞亚群的研究方法和结论各不相同,作者团队首先旨在整合其他研究中收集的六个数据集和使用Seurat产生的两个内部数据集(Silvin IS,Silvin C1)。为了确保所产生的整合—作者团队将其命名为“M-Verse”,并选择已发表的数据集来涵盖中枢神经系统内的一系列广泛情况:一种侧重于比较幼年和成年小鼠的小胶质细胞和神经元、中间神经元、少突胶质细胞和星形胶质细胞(Zeisel);另一种追踪了胚胎到衰老小胶质细胞的转变,其时间点分别在E14.5、P4、P5、P30、P100和P540(Hammond);还有一种是神经退行性变中的小胶质细胞,包含了对DAM的首次描述(Keren-Shaul)。来自Van Hove的数据集还为分析增加了空间维度,因为它包括来自不同脑区的细胞:脉络丛、硬脑膜、硬脑膜下区域(SDMs)和脑实质(全脑)。作者团队的数据集包括从胚胎(E12.5、E16.5和E18.5)、出生后早期(P7、P14)和成年(P60)小鼠大脑中分离的小胶质细胞,以及成年小鼠(P60)的CD45+巨噬细胞。作者团队期望将这些不同的数据集放在一起从而构建产生一个强大的工具来解析小鼠脑巨噬细胞的异质性。

        MVerse(https://macroverse.gustaveroussy.fr/2021_M-VERSE)允许作者团队提取在所有数据集中检测到的14,794个共同基因的表达数据。通过比较这些数据集,作者团队生成了发育中和成年小鼠大脑中髓系细胞的无偏全局图并确定了图中的五个区域:一个对应于非髓系细胞(包括一个对应于神经元的集群和一个对应于中间神经元、少突胶质细胞和星形胶质细胞的集群);一个对应于T细胞和NK细胞;一个富含表达发育小胶质细胞特征的细胞;一个富含具有成熟小胶质细胞特征的细胞;以及第五个含有非小胶质细胞的髓系细胞。

        当作者团队将每项研究的数据分别投射到M-Verse(图1B)时,他们发现Van Hove数据集富含髓系细胞,这可能是由于脑膜和脉络丛区域的scRNA-seq影响。Silvin C1和Hammond数据集是仅有的两个包含胚胎和出生后早期小胶质细胞的数据集,并且都产生了一个明确的发育期小胶质细胞特征簇。Zeisel数据集包含高比例的非髓系细胞(分化神经元[Tubba2,sox11],中间神经元[Slc32a1,Pnoc],少突胶质细胞[Hapln2,Opol1]和星形胶质细胞[Slc1a2,Slc1a3],在M-Verse的神经元区域附近清晰可见 [Stmn1,Tub2b] (图1B))。尽管如此,Zeisel数据集中的小胶质细胞的表达谱与其他数据集的小胶质细胞完全重叠,表明整合是成功的。值得注意的是,Zeisel数据集还包含一些聚集在发育特征区域的小胶质细胞,这可能是由于它们使用了青少年期或幼年小鼠(从21天到1个月)。同样,作者团队在Hammond、Silvin C1和Silvin IS数据集(图1A、1B)中观察到了60-100日龄小鼠发育小胶质细胞特征区的少量细胞,并且与老年WT小鼠(Keren-Shaul 和 Van Hove)(图 1B)相比,患有神经退行性疾病的老年小鼠该区域的细胞增加。这表明在这些神经退行性疾病模型中,一些小胶质细胞可能获得类似发育的程序。

        2.使用小鼠脑巨噬细胞的定向索引排序数据完善M-Verse

        scRNA-seq方法提供了宝贵的数据,通过对少量细胞的深入分析来补充广泛的分析的结果,可以促进对细胞亚群的更精确识别。因此,作者团队接下来使用Seurat V2(图1A中红色显示)分析了Silvin IS数据集(该数据集结合了蛋白质表达信息和深度基因表达测量信息)。该数据集包含来自213个成年鼠脑 CD45+Ly6C- F4/80+CD11b+巨噬细胞的信息并使用Smart-Seq2方法生成。该方法能够测量与10X Genomics类似数量的基因,而且每个细胞具有更多的片段读取数量。这样就能够与IS相结合以分离具有已知特征(例如,定义的大小、颗粒和选定的表达标记)的单个细胞。为了明确识别传统门控小胶质细胞群中的边界相关巨噬细胞(BAMs),作者团队使用来自2月龄的 Lyz2GFP小鼠的细胞,其中含有GFP标记表达溶菌酶的BAMs(而不是小胶质细胞)。然后使用Seurat V2和Phenograph方法对213个测序细胞进行了聚类,并根据它们的scRNA-seq表达谱确定三个集群:一个大集群1和两个小集群2和3。

        总之,整合使用不同技术生成的六个脑巨噬细胞scRNA-seq数据集使作者团队能够对发育中和成年小鼠大脑进行全局交叉比较。并通过进一步应用IS单细胞分析提高M-Verse的分辨率后确定了一套共识的mRNA标记转录物,从而能够可靠和准确地识别跨多个生命阶段的小鼠小胶质细胞和脑巨噬细胞群。

        3.M-Verse定向分析解决了BAMs的起源问题

        基于M-Verse和标志性差异表达基因(DEG)编码蛋白的分析,作者团队设计了一种严格的流式细胞术门控策略来识别上述定义的脑巨噬细胞群。这些标记基因和蛋白质包括 Mrc1(编码 CD206)、Itgal(编码 CD11a)和 H2-Ab1(编码 MHCII)(图 1D)。作者首先评估了整个年轻成年小鼠脑(大脑、软脑膜、蛛网膜和硬脑膜)、去除脑膜的大脑(大脑和软脑膜)和单独的脑膜(蛛网膜和硬脑膜)的细胞悬液。正如预期的那样, CD11a+和 CD206+MHCII+巨噬细胞在脑膜部分中富集,而只有脑的部分则CD206+MHCII-细胞富集(图1I)。因此,这种基于综合分析确定标志DEGs的门控策略,使作者团队能够准确识别小胶质细胞和差异表达MHCII的 CD206+BAMs的两个子集,以及表达整合素CD11a的巨噬细胞子集。

        建立这些基线后,作者使用最近描述的Ms4a3命运映射模型跟踪血液单核细胞对细胞群的贡献:不到 1% 的小胶质细胞被标记,而超过87% 的CD11a+巨噬细胞被标记,这表明后者主要是单核细胞衍生的。CD206+MHCII+巨噬细胞的单核细胞贡献率(20%)高于CD206+MHCII-巨噬细胞(<5%)(图1J)。然而,作者团队也观察到CD206+MHCII+单核细胞来源的细胞(26%)和小胶质样单核细胞来源的细胞(2%-3%)的百分比在大于6月龄的小鼠中略高(图1K)。总之这些结果表明,与血管周围巨噬细胞相比,脑膜CD206+MHCII+巨噬细胞具有更高的单核细胞成分,因此被替代的程度比先前认为的更大。

        DAM是一组CNS巨噬细胞,被认为在阿尔茨海默病 (AD) 小鼠模型中发挥保护作用,也存在于人类 AD 患者的大脑中。另一项研究表明,DAM也会在老年小鼠的大脑中积累,但它们是否具有保护作用仍存在争议。最初使用scRNA-seq分析确定DAM高表达Cd11c、Csf1和Cd9,低表达Tmem119、P2ry12和Cx3cr1,并取决于髓样细胞2(TREM2)上表达的触发受体。目前,DAM的本体发育仍难以捉摸,而且最近的研究得出了相互矛盾的结论--即它们可能与BAMs或单核细胞有关。

        因此,作者团队试图通过M-Verse研究DAM在整个发育、成年、衰老和神经退行性变的扩展大脑巨噬细胞群体中的性质。作者将Keren-Shaul 的DAM基因表达特征投影到具有M-Verse共同坐标的Keren-Shaul 数据集上,发现高表达DAM基因特征的细胞位于两个不同的区域:一些位于发育小胶质细胞区域(DAM) ,另一些位于成熟的小胶质细胞区。由于这些细胞的炎症基因高表达,因此作者将其定义为疾病炎症巨噬细胞 (DIMs)。为了评估表达DAM特征的这两个亚群是否同样依赖于TREM2,作者团队比较了它们在老年C57BL/6 WT、5XFAD(AD 模型)、TREM2-/- 和 5XFAD-TREM2-/-小鼠大脑中来自Keren-Shaul数据集的相对丰度。结果发现,AD-TREM2-/-小鼠大脑皮层中DAM细胞的比例约为AD小鼠的一半,而所有TREM2-/-小鼠的DIMs比例显著增加(图 2B)。在RNA水平上,两个群体都高度表达Trem2,但在其他标记的表达上存在差异:与 DIMs相比,DAM的P2ry12 和Cx3cr1表达相对较低,而 Itgax (Cd11c)的表达较高。因此,M-Verse 结合两个区域内细胞分子比较,不仅能够识别两个细胞群共享 DAM 标志基因表达状况,而且也能独特地将基因表达状况与其一致的分子功能差异描述出来。这些数据强烈表明DAM而非DIMs代表了Keren-Shaul描述的真正DAM。

        5.真正的成熟DAM显示出与YAM重叠的基因表达特征

        然后,作者接下来又研究了是否可以在用于生成 M-Verse的其他数据集中检测到DAM细胞,并发现其也存在于包含来自APP-PS1 AD小鼠模型细胞的Van Hove数据集中。在这两个数据集中,表达DAM特征的细胞都包含在发育中的小胶质细胞区域内,暗示成熟真正的DAM与典型的胚胎小胶质细胞共享相同的基因表达模式。因此,作者进一步进行了DEG分析,比较了两个数据集中的DAM 和 DIMs,试图定义一组在DAM中表达量更高并能代表其真正特定特征的基因。结果在两个数据集中发现了DAM特异性高表达的8个基因:Dkk2、Fabp5、Gpnmb、Igf1、Itgax、Mamdc2、Spp1和Gm1673。然后作者团队将这些特征基因的平均表达量投射到M-Verse内的两个数据集(Keren-Shaul 和 Van Hove 叠加)上以可视化其表达特异性,并评估它们在这些研究中使用的不同小鼠中的比例。来自 Silvin C1 和 Ham-mond 数据集(WT 小鼠)的细胞出现在DAM区域中,但在这种情况下,也对应于来自胚胎(E12.5、E14.5 和 E18.5)和出生后早期(P4、P5 和 P7)时间点的细胞。

        总之作者的分析表明,成年DAM与非AD小鼠的发育(胎儿和出生后早期)小胶质细胞具有共同的基因表达特征,包括整合素Itgax (CD11c) 的表达,已经被证明在名为P7 CD11c+的小胶质细胞子集上表达。为了了解这两种单独描述的细胞类型的可能关系,作者团队将P7 CD11c+转录组特征投射到M-Verse 上,并观察到与Keren-Shaul数据集的DAM特征显著重叠。并且DAM保守特征中七个基因中的五个(Dkk2、Gpnmb、Igf1、Itgax 和 Spp1)也在Hagemeyer 和 Wlodarczyk 数据集的P7 CD11c+细胞中表达(图 2K),以及在胚胎时间点的Hammond 和 Sil-vin C1 数据集中表达。因此,在神经退行性疾病中看到的DAM保守特征与健康野生型小鼠胚胎和新生儿大脑中存在的一组细胞非常相似。基于这些观察结果,作者团队建议将CD11c+P7小胶质细胞称为青年相关小胶质细胞 (YAM)。

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