《自然·神经科学》:其实和多种中枢神经系统疾病有关 这个细胞来自哪里？

来源：奇点蛋糕2022-08-19 18:05

阿尔茨海默病(AD)是最常见的神经退行性疾病。

阿尔茨海默病(AD)是最常见的神经退行性疾病。

很多人都被老年痴呆症这个名字骗了。其实并不是老年人的专利。目前这种疾病的发病率越来越高，而且越来越年轻化。

目前还没有有效治愈AD的方法，但科学家们一直在尝试从不同方向破解AD的发病机制，试图找到有效的治疗靶点。

近日，来自以色列魏茨曼科学研究所的Ido Amit团队与Michal Schwartz团队合作，在《自然 神经科学》上发表了重要研究成果[1]。

利用单细胞转录组学，他们研究了很少研究的少突胶质细胞群体，在多种中枢神经系统疾病中发现了一类与疾病相关的少突胶质细胞(DOLs)，并鉴定了DOLs的特征基因Serpina3n。

通过共定位，他们发现Serpina3n阳性的少突胶质细胞分布在富含斑块A的区域，这提示Serpina3n可能作为中枢神经系统疾病(如AD)的检测标志物，这也为各种中枢神经系统疾病的治疗提供了潜在的靶点。

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临床上，AD表现为记忆障碍、失语症、失用症、失认症、人格和行为改变等综合性痴呆。病理学上以淀粉样蛋白(A)的假折叠、tau蛋白的过度磷酸化、蛋白聚集物的积聚、淀粉样斑块和神经原纤维缠结的形成为特征[2]。由于人口老龄化和发病年轻化的趋势，AD已经成为最重要的公共卫生挑战之一[3]。

一直以来，对AD的研究都是以神经元为中心。在过去的几十年里，科学家们逐渐关注到非神经元细胞，如大脑中的先天免疫细胞(小胶质细胞)或星形胶质细胞对疾病进展的潜在贡献[4，5]。相比之下，少突胶质细胞很少有人关注，通常被认为是被动的旁观者，对外界刺激的反应有限。

事实上，少突胶质细胞是中枢神经系统中重要的髓鞘形成细胞。它可以包裹轴突，形成绝缘的髓鞘，协助生物电信号的跳跃和高效传递，维持和保护神经元的正常功能。少突胶质细胞异常不仅会导致神经元脱髓鞘，还会引起神经元损伤或精神疾病[6，7]。

而且，在AD等痴呆患者或小鼠模型的大脑中，科学家观察到大量髓鞘的变化和分解[8]。但少突胶质细胞在AD病理中的命运会发生改变吗，会如何改变，会促进AD或其他中枢神经系统疾病的病理进展吗？目前研究很少。

为了回答这一系列问题，Amit团队和Schwartz团队借助单细胞RNA测序技术(MARS-seq2.0)分离并测序了野生型和AD模型小鼠(5xFAD)全脑的非神经元和非免疫细胞，并通过单细胞降维聚类工具分析了17个细胞簇，其中成熟的少突胶质细胞所占比例最高，以Plp1、Mbp和Mog为标记。

野生型和AD模型小鼠全脑非免疫细胞单细胞表达热图

进一步分析野生型小鼠和AD模型小鼠之间的差异表达基因(DEGs)，研究人员发现少突胶质细胞的DEGs最多，这些DEGs中超过80%只在少突胶质细胞中表达，而在任何其他类型的脑细胞中不表达，这表明少突胶质细胞在AD模型小鼠中表现出广泛和特异性的转录变化。

为了进一步细化少突胶质细胞转录组的变化，研究人员利用髓鞘中丰富的半乳糖神经酰胺，从小鼠脑中富集分选出半乳糖神经酰胺阳性的成熟少突胶质细胞。

对这些细胞进行测序后，研究人员确定了少突胶质细胞的14种亚型。与野生型小鼠相比，AD小鼠脑细胞中第12和第14少突胶质细胞亚型的比例显著增加，并随着AD的进展而持续增加。研究人员将这种少突胶质细胞亚型称为疾病相关少突胶质细胞(DOLs)。

Amit团队和Schwartz团队进一步分析了DOLs上的差异表达基因，确定了26个异常高表达基因，包括Serpina3n、C4b、MHC-I、IL-33等免疫相关基因和Klk6、Sgk1、CD9、CD63等非免疫相关基因。其中，丝氨酸蛋白酶抑制相关基因Serpina3n上调最为显著。

左图为DOLs上差异表达的基因；右图为野生型和AD模型小鼠DOLs的细胞比例。

比较不同年龄的野生型和AD模型小鼠的少突胶质细胞中DOLs的比例，研究人员发现DOLs的比例以年龄依赖的方式上调。即AD小鼠年龄越大，DOLs的比例越高。

p>这一点与 疾病相关的小胶质细胞 （DAM）非常不同，DAM通常在疾病早期（约1~2个月）就出现了，而DOLs的发生则需要在10个月之后，要晚于A 斑块和炎症的出现，这说明少突胶质细胞与小胶质细胞有着完全不同的应答周期。

既然DOLs的发生要晚于A 斑块，那么DOLs的产生是否独立于淀粉样病变呢？

为了回答这个问题，研究人员首先分析了另外两种非淀粉样病变引起的认知障碍的模型鼠，发现这两种模型鼠脑内均含有大量的DOLs，并且高表达DOLs的特征基因Serpina3n。

随后，研究人员直接用A 的寡聚体、纤维和斑块三种不同程度的聚合物处理原代少突胶质细胞，发现这三种A 聚合物均不能激活少突胶质细胞。

以上实验结果说明，A 并不能直接诱导DOLs的产生，或者说A 并不足够诱导DOLs的产生。

左图为DOLs在另两种AD模型鼠中的细胞占比；右图为A 处理后DOLs特征基因的log2FC值

既然DOLs的产生独立于淀粉样病变，那么DOLs是否也存在于其它中枢神经系统疾病中呢？

研究人员分析了脂多糖诱导的炎症模型和三种多发性硬化模型的单细胞测序数据集，发现这几种疾病模型中均富集表达DOLs特征基因，说明DOLs的产生是中枢神经系统疾病的共性。而且这些基因的表达水平随着病程进展而变化，即少突胶质细胞反应的强度与疾病严重程度正相关。

最后，研究人员通过对大脑切片做免疫共染，确定了AD模型鼠和AD病人DOLs的空间定位。

他们发现少突胶质细胞标志物Olig2和DOLs标志物Serpina3n双阳性的细胞与A 斑块之间存在空间相关性，相关性范围在30 m内。

虽然在A 斑块附近发现了DOLs，但是DOLs却在斑块积累很久之后才出现。再结合前面的实验结果，A 单独处理不足以诱发DOLs，而且在非淀粉样病变的模型中也发现了DOLs，这些都证明A 不足以触发这种细胞状态。然而，DOLs却出现在A 斑块富集的脑区，这提示了其他因素的参与，如损伤相关分子模式(DAMPs)、炎症、死细胞及各种代谢因子等，这些物质共同营造的 损伤微环境 会诱导DOLs的产生。

上图为AD模型鼠和野生型鼠脑片的免疫共染图；下图为AD病人和正常人脑片的免疫共染图

总的来说，Amit团队和Schwartz团队通过单细胞RNA测序技术，在阿尔茨海默病、多发性硬化、神经炎症等多种中枢神经系统疾病中均发现了一类 疾病相关的少突胶质细胞（DOLs） 。

通过进一步分析DOLs上差异表达的基因，他们鉴定出了DOLs的特征基因Serpina3n（该基因在人体内为Serpina3）。而且通过免疫共定位，他们发现Serpina3n阳性的少突胶质细胞分布在A 斑块富集的区域，这提示Serpina3n可能可以作为中枢神经系统疾病（如AD）的检测标志物，这也为多种中枢系统疾病的治疗提供了潜在的靶点。

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