Cell --胚胎時期腦部發育中的兩種巨噬細胞

在過去的幾年中，有研究發現中樞神經系統的巨噬細胞具有區域異質性和組成多樣性【1-3】。中樞神經系統中的巨噬細胞包括小膠質細胞（Microglia）和位於腦膜、脈絡叢和血管周圍的邊緣相關巨噬細胞(Border-associated macrophages，BAMs)。小膠質細胞位於中樞神經系統實質區域，來源於原始巨噬細胞【4】，在胚胎時期E8.5天的時候由卵黃囊中的紅系-髓系祖細胞（Erythro-myeloid progenitors，EMPs）產生【5-7】。但是對於BAMs巨噬細胞無論是在胚胎時期還是成年時期其轉錄組、功能以及個體發生過程的研究都很不清楚。與其他的巨噬細胞群體相似，BAMs細胞和小膠質細胞都依賴於CSF-1R信號通路【4】。但是關於BAMs和小膠質細胞是否構成不同的譜系，是否由相同祖細胞發育而來或通過與各自的生態位相互作用而在局部獲得其特定的特徵，仍然是未解之謎。

為了對中樞神經系統中的兩種不同巨噬細胞在早期胚胎時期的發生發育過程進行研究，2020年4月6日，瑞士蘇黎世大學的

為了對小膠質細胞和BAMs在胚胎時期是否是獨立發育的群體這一問題進行研究，作者們對E16.5天野生型小鼠大腦中的巨噬細胞進行了單細胞RNA-seq。作者們選擇E16.5作為觀測的時間點是因為此時小膠質細胞已經開始分化和表達特徵基因【8,9】。在進行單細胞轉錄組分析後，作者們發現在E16.5天的時候的確已經出現兩種巨噬細胞，而且小膠質細胞和BAMs細胞在此時的轉錄譜已有明顯的區別（圖1）。

圖1 單細胞測序結果聚類分析：小膠質細胞和BAMs細胞

進一步地，作者們通過流式細胞分選評估胚胎腦部巨噬細胞的出現和表型，以驗證scRNA-seq的結果。作者們分析後發現，兩種巨噬細胞均表達通常的巨噬細胞的標記物以及巨噬細胞相關的轉錄因子。除此之外，作者們還鑑定出了兩種巨噬細胞標記物的不同之處，其中甘露糖受體CD206是能夠區分兩種巨噬細胞的重要標記物。CD206+的巨噬細胞會分化成為BAMs，而CD206-的細胞逐漸表達Sall1，這與小膠質細胞的特徵相一致。除了細胞標記物的不同之外，兩種巨噬細胞在中樞神經系統中的區域分佈與定位也有很大的不同。小膠質細胞主要集中分佈在中樞神經系統實質區域，而BAMs主要分佈在脈絡叢和血管周圍區域（圖2）。

圖2 兩種巨噬細胞的空間區域分佈特點

那兩種巨噬細胞是在胚胎時期什麼階段出現發育分歧的呢？作者們對不同發育階段的野生型腦中兩種巨噬細胞的一系列轉錄組信息進行了分析，包括E10.5、E11.5、E12.5、E14.5、E16.5、E18.5共六個時間點。在分析後作者們發現，在E10.5天的早期發育階段，兩種巨噬細胞已經出現明顯的分離。另外，作者們對轉錄組進行分析後，發現BAMs中存在一個新穎的特徵基因Dab2，是TGF-β信號通路中的一個負免疫調節因子和適配因子【10】。而且在BAMs和小膠質細胞中有著不同的趨化因子和整合素的表達，這可能是兩種巨噬細胞能夠遷移和粘附到中樞神經系統中各自不同區域中的原因。胚胎發生過程中不同的基因表達譜反映了兩個獨立的巨噬細胞群在腦發育過程中執行時間和區域功能。

胚胎髮育時期，卵黃囊中第一波造血作用出現在E7.0天被稱為原始造血作用，伴隨著早期EMP祖細胞的產生，而EMPs細胞能夠產生原始巨噬細胞，這一過程出現在E8.5天【5】。原始巨噬細胞遷移到發育的腦部並且分化成為小膠質細胞【4】。那BAMs的具體細胞來源是什麼呢？與小膠質細胞是否是同一細胞來源呢？為了對此問題進行解析，作者們通過進一步的小鼠遺傳操縱實驗進行了驗證。通過對小鼠的早期EMPs細胞進行標記，作者們發現BAMs細胞與小膠質神經細胞相似也是來源於早期EMPs。有研究表明TGF-β信號通路在小膠質細胞的發育過程中非常關鍵【11】，TGF-β信號通路控制胚胎腦部小膠質細胞的分化，包括小膠質細胞特徵基因的表達和小膠質細胞的擴增，但是在BAMs中對TGF-β信號通路進行特異性地基因操縱之後，BAMs細胞的數量等特徵並沒有受到明顯的影響。說明BAMs巨噬細胞的發育過程並不要求TGF-β信號通路的作用，

總的來說，Melanie Greter研究組的工作揭開了一直以來中樞神經系統中巨噬細胞區域異質性和細胞組成多樣性的原因（圖3）。同時也發現在早期胚胎髮育階段，兩種巨噬細胞的發育通路便逐漸分離，通過對胚胎時期不同腦部巨噬細胞轉錄組的分析鑑定出了BAMs細胞特異性細胞標記物，為隨後對BAMs在中樞神經系統的功能以及與神經穩態、神經系統相關疾病的研究提供了重要的工具和時空轉錄組的數據支持。

圖3 胚胎時期中樞神經系統兩種巨噬細胞的發育過程模式圖

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.03.021

參考文獻

1.Hammond, T. R. et al. Single-Cell RNA Sequencing of Microglia throughout the Mouse Lifespan and in the Injured Brain Reveals Complex Cell-State Changes. Immunity 50, 253-271 e256, doi:10.1016/j.immuni.2018.11.004 (2019).

2.Jordao, M. J. C. et al. Single-cell profiling identifies myeloid cell subsets with distinct fates during neuroinflammation. Science 363, doi:10.1126/science.aat7554 (2019).

3.Masuda, T. et al. Author Correction: Spatial and temporal heterogeneity of mouse and human microglia at single-cell resolution. Nature 568, E4, doi:10.1038/s41586-019-1045-2 (2019).

4.Ginhoux, F. et al. Fate mapping analysis reveals that adult microglia derive from primitive macrophages. Science 330, 841-845, doi:10.1126/science.1194637 (2010).

5.Hoeffel, G. & Ginhoux, F. Ontogeny of Tissue-Resident Macrophages. Front Immunol 6, 486, doi:10.3389/fimmu.2015.00486 (2015).

6.Kierdorf, K. et al. Microglia emerge from erythromyeloid precursors via Pu.1- and Irf8-dependent pathways. Nat Neurosci 16, 273-280, doi:10.1038/nn.3318 (2013).

7.Gomez Perdiguero, E. et al. Tissue-resident macrophages originate from yolk-sac-derived erythro-myeloid progenitors. Nature 518, 547-551, doi:10.1038/nature13989 (2015).

8.Matcovitch-Natan, O. et al. Microglia development follows a stepwise program to regulate brain homeostasis. Science 353, aad8670, doi:10.1126/science.aad8670 (2016).

9.Thion, M. S. et al. Microbiome Influences Prenatal and Adult Microglia in a Sex-Specific Manner. Cell 172, 500-516 e516, doi:10.1016/j.cell.2017.11.042 (2018).

10.Adamson, S. E. et al. Disabled homolog 2 controls macrophage phenotypic polarization and adipose tissue inflammation. J Clin Invest 126, 1311-1322, doi:10.1172/JCI79590 (2016).

11.Butovsky, O. et al. Identification of a unique TGF-beta-dependent molecular and functional signature in microglia. Nat Neurosci 17, 131-143, doi:10.1038/nn.3599 (2014).

閱讀更多 BioArt 的文章

關鍵字: 遺傳 巨噬細胞 蘇黎世大學