生命学院时松海团队发现大脑新皮层神经胶质细胞发生程序


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。因此，研究大脑新皮层神经发生和神经胶质细胞发生对于理解的哺乳动物大脑新皮层如何组装和运行的尤其重要。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。有意思的是，单个RGp按照特定比例进行神经胶质细胞产生，其中星形胶质细胞发生：少突胶质细胞发生：星形胶质细胞和少突胶质细胞发生约为 60%:15%:25%，最终形成三种特定谱系的胶质细胞克隆。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；相比之下，NF1的缺失不仅显著性增加了少突胶质中间前体细胞的数量，也大大促进了单个少突胶质中间前体细胞的产出，可导致巨型少突胶质细胞克隆的形成。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。

该研究工作2021年3月16日在《细胞报告》（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。

清华大学生命学院时松海教授与剑桥大学戈登研究所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。时松海实验室博士生杨嘉俊和Benjamin Simons实验室David Jörg博士负责本文中数据定量分析。清华大学博士生彭榆玮、技术员张秀丽、本科生徐一帆（现为华盛顿大学博士生）、助理研究员马健博士以及康奈尔大学医学院Luisirene Hernandez博士同样做出重要贡献。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。

论文链接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(21)00167-4

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.

（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。

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