作為中樞神經系統（CNS）的固有免疫細胞，小膠質細胞（Microglia）在健康CNS中發揮著重要的免疫、監測和保護作用。有證據表明，小膠質細胞來源於卵黃囊組織中的紅髓系前體細胞，它們遷移、定植、分化，並在大腦中成熟，最終達到穩定狀態，維持中樞神經系統環境的免疫平衡。與成年成熟的小膠質細胞相比，胚胎期小膠質細胞表現出很大的異質性，並參與各種生理活動的調節。中樞神經系統由腦和脊髓組成，腦主要區域包含大腦皮層、間腦、中腦和小腦。但是，起源於卵黃囊組織中紅髓系前體細胞的小膠質細胞在四個腦區的發育路徑和不同狀態轉換，以及它們的相關功能特徵尚不清楚。
近年來，快速發展的單細胞組學技術，為理解細胞命運決定和細胞異質性提供了強有力的工具。之前對小鼠的單細胞測序研究結果顯示，小膠質細胞具有高度異質性。然而，人類和小鼠之間的物種差異極大地限制了我們對人類小膠質細胞分化和發育功能的理解，尤其是在早期胚胎髮育期間。此外，迄今為止，人類單細胞測序研究僅研究了小膠質細胞的早期起源，從卵黃囊到大腦進入前，或整個CNS中小膠質細胞的發育，對於人腦早期發育過程中小膠質細胞的區域特化命運決定和狀態轉換並不清楚。
3月3日，中國科學院動物研究所焦建偉研究組、北京大學杜鵬研究組、中國科學院動物研究所王雁玲研究組、北京大學靳蕾研究組合作在Cell Stem Cell雜誌線上發表研究論文。該研究首次解析了人腦發育中不同區域的小膠質細胞單細胞轉錄組，精準揭示了發育中人腦小膠質細胞區域特化和狀態轉換的時空動力學特徵，並透過比較小鼠和人類皮層小膠質細胞轉錄組差異，評估了這兩個物種之間狀態轉換的保守性和分子差異性。
利用10x Genomics單細胞測序技術，研究人員繪製了來自人類胚胎，包括Carnegie Stage (CS)12卵黃囊和頭部組織以及腦的不同解剖位置，包括大腦、間腦、中腦、小腦在多個孕周（GW8、GW10、GW12、GW16和GW23）的單細胞轉錄組圖譜。在進行質量控制和生物資訊學聚類分析後，作者選擇CD45+CD33+髓系細胞共12565個細胞進行分析。基於已知標記基因，該項研究識別了20個小膠質細胞亞群，並揭示上述群體的發育動力學特徵。同時，根據基因表達特徵將這些亞群分成了起源、增殖、免疫應答和神經元基因富集相關四大類。為了視覺化和重塑來自CS12同一群原始髓系前體細胞的神經元基因富集小膠質細胞和免疫相關小膠質細胞的細胞命運決定軌跡，研究使用Monocle2和URD進行偽時間分析。有趣的是，兩種分析方法均顯示出類似的結果：源自CS12卵黃囊和頭部的小膠質祖細胞首先啟動細胞增殖，在不同的細胞週期階段成為增殖的小膠質細胞，然後這些增殖的小膠質細胞向兩種不同的細胞命運過渡：免疫或神經元基因富集特徵。對於免疫相關的發育分枝，小膠質細胞透過一個共同的中間階段，最終在GW23達到區域特化。然而，具有不同區域特徵的神經元基因富集小膠質細胞可以直接從迴圈小膠質細胞而來。這首次揭示了人胚胎腦神經元基因富集的小膠質細胞命運分枝。在這項研究中，研究人員鑑定出7群富含神經元基因的小膠質細胞，發現均瞬時出現在包括大腦、間腦、中腦和小腦的四個不同區域，且早在GW8（CNS區域形成的時期）時就在早期腦發育的不同階段出現。穩態指小膠質細胞的一種靜息狀態，脫離靜息狀態會導致多種免疫應答反應的啟用。研究人員分析了胎兒小膠質細胞的區域特異性和狀態轉換之間的潛在聯絡。此研究首次提出免疫相關小膠質細胞的區域特化會伴隨小膠質細胞靜息狀態的退出。研究人員進一步探究了GW23區域特化胎兒小膠質細胞的不同免疫啟用狀態。上述研究結果概述了具有區域特異性的免疫相關小膠質細胞的胎兒啟用的獨特特徵，這與之前報道的所有成人成熟小膠質細胞明顯不同。進一步，研究比較了人類和小鼠的小膠質細胞靜息狀態轉變，發現胎兒小膠質細胞的動態靜息/活動狀態轉換在人類和小鼠中是保守的。將人鼠小膠質細胞擬合後，研究發現大多數其他細胞型別可以合併在一起，表明人類和小鼠的幾種細胞型別和發育途徑是保守的。此外，透過分析差異表達基因，發現人和小鼠小膠質細胞的分子特徵存在一些差異。
綜上，這項研究揭示了人類胚胎小膠質細胞從卵黃囊到腦不同區域的整體發育路徑、區域異質性、胎兒小膠質細胞狀態轉變的獨特特徵，以及早期大腦發育期間狀態轉變和區域特異性之間的密切聯絡，這些發現將為研究小膠質細胞正常功能及相關疾病機理研究提供重要理論基礎。
該研究獲得科技部、國家自然科學基金委、中科院戰略性先導科技專項等的資助。
探索小膠質細胞發育規律
來源：中國科學院動物研究所
