生命科学
Life science
2021年3月16日，清华大学生命科学学院时松海团队与剑桥大学戈登研究所Benjamin D. Simons团队合作，在细胞出版社旗下期刊Cell Reports以长文形式发表了题为“大脑新皮层神经胶质细胞发生的特异性前体细胞行为及其与肿瘤发生的关联”（ Distinct progenitor behavior underlying neocortical gliogenesis related to tumorigenesis）的研究论文，阐明了大脑新皮层中神经胶质细胞发生的程序，并提示神经胶质前体细胞的行为异常与神经胶质瘤的发生相关。
Cell Press细胞出版社微信公众号对该论文作者团队进行了采访并对论文进行了解读，旨在与广大科研人员深入分享该研究成果以及一些未来的展望，点击“阅读原文”或识别下图二维码阅读英文原文。
神经元和神经胶质细胞是哺乳动物大脑新皮层基本细胞组成，几乎都由放射状胶质细胞（Radial glial progenitors，RGPs）分裂产生。时松海团队之前的研究在单细胞水平系统定量地揭示了RGPs的规律分裂行为和神经元发生细胞程序（Gao et al., Cell 2014）；然而，目前对神经胶质细胞的发生机制还知之甚少。
在本文中，通过对小鼠大脑新皮层RGPs进行系统性的双荧光标记的嵌合分析（Mosaic analysis with double markers, MADM），在单细胞水平确定了RGPs进行神经胶质发生的细胞程序。在发育过程中，RGPs逐渐完成从神经元发生到神经胶质细胞发生的转换，在胚胎期第16天（E16）达到峰值，E17基本完成转换，约16%左右的RGPs可产生神经胶质细胞。另外，单个RGP通过相对随机过程产生命运受限的神经胶质中间前体细胞，进而产生数量相对确定的同一亚型或分化状态的星形胶质或少突胶质细胞，并形成局部克隆簇。另外，星形胶质细胞发生和少突胶质细胞发生是相互独立的。以上研究系统定量地阐明了新皮层神经胶质细胞发生的基本细胞机制。
为了进一步研究神经胶质细胞发生的分子调控机制，本文利用MADM系统的特性研究了肿瘤抑制蛋白Neurofibromin 1（ NF1）在单细胞水平上对RGP行为、神经发生和神经胶质细胞发生的调控。虽然神经元和神经胶质细胞都起源于RGPs，但在RGPs中去除NF1显著增加神经胶质细胞产生，不影响神经元的产生。更有意思的是，虽然NF1缺失显著增加了星形胶质细胞和少突胶质细胞的数量，但对这两类细胞的影响程度和细胞调控机制是不同的。NF1的缺失导致星形胶质细胞增加约2倍，但少突胶质细胞增加超过15倍。进一步研究表明，NF1的缺失导致单个RGP产生的星形胶质中间前体细胞数量增加，但不影响单个星形胶质中间前体细胞的产出。这些研究不仅阐明了RGPs在神经元和不同神经胶质细胞发生中的不同行为和调控机制，也提示少突胶质细胞谱系发生可能与脑肿瘤起源密切相关。
时松海教授与Benjamin D. Simons教授为本文的共同通讯作者，清华大学生命学院博士后沈忠福和博士生林阳为本文共同第一作者。该研究获得了北京市卓越青年科学家项目、北大清华生命科学联合中心、北京生物结构前沿研究中心、国家自然科学基金、北京脑科学与类脑研究中心计划、清华大学结构生物学高精尖创新中心、霍华德休斯医学研究所和清华大学水木学者项目的经费支持。该研究得到了清华大学生物医学测试中心实验动物中心的大力协助和支持。
（左）MADM标记的大脑新皮层进行神经发生到神经胶质细胞发生转变的单个RGP克隆（绿色/EGFP为神经元，红色/tdTomato为神经胶质细胞；第1-6层中为离散的星形胶质细胞局部克隆簇，白质（white matter, WM） 中为少突胶质细胞局部克隆簇，紫色为OLIG2免疫荧光标记。）（右）大脑新皮层RGP进行神经胶质发生细胞程序。I-APC，中间星状胶质前体细胞；I-OPC，中间少突胶质前体细胞。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者之一时松海教授代表研究团队进行了专访，请他们为大家进一步详细解读。
CellPress：
新皮层中神经胶质细胞产生的起源和多样性这个问题一直以来都没有得到很好的解决，您认为这其中研究的难点是什么？
时松海教授：
神经胶质细胞多样性及其起源一直是发育神经生物学的核心问题之一。在传统分类中，星形胶质细胞被分为三类：Layer 1 星形胶质细胞，原生质星形胶质细胞和纤维星形胶质细胞，主要分别位于大脑新皮层的第一层、灰质和白质。近期的研究发现，新皮层不同层的星形胶质细胞在单细胞组学上也具有异质性（Bayraktar et al., Nature neuroscience 2020）；同样，少突胶质细胞也有异质性（Marques et al., Science 2016），而这些异质性是如何产生的依然没能被很好地解释。这其中，最根本的难点是没有有效的研究手段可从单细胞水平在体标记神经前体细胞，同时能精确示踪神经胶质细胞的分化成熟过程。
CellPress：
本研究中采用了双标记嵌合分析法，该方法的优势在哪里？在本研究的应用过程中又有哪些创新？
时松海教授：
双标记嵌合分析法（Mosaic analysis with double markers, MADM）最早由斯坦福大学骆利群教授团队发明（Zong et al., Cell 2006），对在体谱系示踪的研究具有非常独特优势。该方法利用染色体间重组（inter-chromosomal recombination）的低效率，结合先进的遗传学设计，可对单个神经干细胞进行时空特异性的在体荧光标记。更重要的是，基于染色体重组和分离的模式，同一神经干细胞分裂所产生的两个子细胞及其后代可被不同荧光蛋白永久标记，进而可判断神经干细胞的分裂模式，并分析子代神经细胞的种类、数目和结构特征。
在本文中，除了在单细胞水平系统定量分析RGPs分裂产生神经元和神经胶质细胞的行为，及其分子和细胞调控机制，更利用该方法的优势，首次在体捕捉到正在进行从神经元发生到神经胶质细胞发生转变的单个RGP及其所产生的子代细胞，为单细胞水平研究RGP行为和神经胶质细胞发生提供了前所未有的分辨率。
CellPress：
中间前体细胞（IPCs）在新皮质神经胶质发生过程中扮演着怎样的角色？
时松海教授：
在神经元发生过程中，中间前体细胞对神经元数目和分布有着非常重要的调控作用。然而，在神经胶质细胞发生过程中，中间前体细胞的存在和特性仍不太清楚。本研究发现，与神经元发生模式类似，中间前体细胞在神经胶质细胞发生、分布和分化起着关键的作用。RGPs通过相对随机的方式产生命运受限的中间星型胶质前体细胞和中间少突胶质前体细胞，而中间星型胶质前体细胞和中间少突胶质前体细胞分别产生数量相对固定的类似亚型的星型胶质细胞和少突胶质细胞，并在空间上形成局部聚集分布。因此，中间胶质前体细胞对神经胶质细胞的种类、数目和分布乃至功能都有着重要的调控作用。
CellPress：
抑癌蛋白NF1在神经胶质发生中的功能是怎样的？
时松海教授：
Neurofibromin 1（NF1）作为抑癌蛋白，可负向调控RAS原癌蛋白通路。在单个RGP中特异性敲除Nf1后，克隆内神经元的数量没有变化；然而，星形胶质细胞和少突胶质细胞的数量显著增加，但增加幅度相差较大（星型胶质细胞增加~2倍，而少突胶质细胞增加~15倍），说明NF1在神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞发生过程中起到不同的功能。进一步研究发现，对于星形胶质细胞发生，NF1缺失仅使得单个RGP产生更多的中间星形胶质前体细胞，但对单个中间星形胶质前体细胞所产生星形胶质细胞的数目没有影响；而对于少突胶质细胞发生，NF1缺失不仅使得单个RGP产生更多的中间少突胶质前体细胞，也使单个中间少突胶质前体细胞产生更多的少突胶质细胞（尤其是少突胶质前体细胞），以至产生包含上千个少突胶质前体细胞的巨型克隆。
CellPress：
您认为本研究的成果，对原发性脑肿瘤的研究和治疗有哪些指导和帮助？
时松海教授：
神经胶质瘤是常见的原发性脑肿瘤，而NF1是神经胶质瘤发生中常见的突变基因之一。本研究发现星形胶质细胞发生和少突胶质细胞发生对NF1缺失的反应不尽相同。NF1缺失后，单个中间星形胶质前体细胞并不能产生特别多的星型胶质细胞，而单个中间少突胶质前体细胞可以产生大量的少突胶质前体细胞，甚至是上千个。这一点提示了获得NF1基因突变的少突胶质细胞相关发育谱系可能是NF1关联的神经胶质瘤的起源。本研究为原发性脑肿瘤的起源提供了新的视野，有助于开发新的诊疗靶点，为后续研究和药物研发提供了科学依据。
参考文献：
Gao, P., Postiglione, M. P., Krieger, T. G., et al. Deterministic progenitor behavior and unitary production of neurons in the neocortex. Cell, 2014, 159(4): 775-788.
作者简介
时松海
博士
清华大学生命科学学院 教授
清华大学-IDG麦戈文脑科学研究院 院长
研究兴趣、领域：神经系统是如何发育组装的，以及如何调控动物的行为和认知一直是神经科学的研究热点和终极目标之一。我们运用神经生物学（如电生理和成像）、遗传学、分子、细胞和发育生物学等方法研究哺乳动物大脑的组装和运行机制，集中于活体神经干细胞的调控、神经细胞的产生分化迁移、神经环路的精准组装和运行、以及动物行为的神经基础；同时致力于与神经发育和功能相关的重大疾病如小脑症和自闭症的致病机制研究。
相关论文信息
论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports上
▌论文标题：
Distinct progenitor behavior underlying neocortical gliogenesis related to tumorigenesis
▌论文网址：
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(21)00167-4
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.108853
