单细胞 RNA 测序助力研究小胶质细胞在小鼠脊髓修复过程中协调细胞相互作用

2024年2月29日编辑：诺禾致源

2022年7月14日，来自俄亥俄州立大学的 Phillip G Popovich 团队在《Nature Communications》上发表了题为“Microglia coordinate cellular interactions during spinal cord repair in mice”的研究论文。该研究着眼于脊髓损伤（SCI）中的小胶质细胞，并由此切入揭示小胶质细胞依赖性的关键分子及细胞互作网络，为繁杂而无头绪的脊髓损伤（SCI）研究提供了全新的研究思路。

01研究背景

小胶质细胞是中枢神经系统 (CNS) 驻留的免疫细胞，约占所有 CNS 细胞的10%。小胶质细胞通过与神经元和非神经元细胞的持续相互作用来帮助维持 CNS 稳态。

创伤性脊髓损伤 (SCI) 引发由组织驻留小胶质细胞和单核细胞衍生巨噬细胞 (MDM) 主导的神经炎症反应。由于活化的小胶质细胞和 MDM 在形态上相同并且在体内表达相似的表型标记，因此识别由小胶质细胞特异性协调的损伤反应历来具有挑战性。在这里，我们在药理学上耗尽了小胶质细胞，并使用解剖学、组织病理学、束追踪、批量和单细胞 RNA 测序来揭示由小胶质细胞控制的对 SCI 的细胞和分子反应。

02研究路线

03主要结果

一. 脊髓损伤后需要小胶质细胞来实现功能的最佳恢复和损伤的稳态

为了评估小胶质细胞对 SCI 后功能恢复的影响，小胶质细胞通过在接受 T9 椎体挫伤 SCI 前两周开始喂食含有 CSF1R 拮抗剂 (PLX5622) 的小鼠食物耗尽小胶质细胞，喂养持续到受伤后 35 天。

研究发现，小胶质细胞通过调节胶质细胞瘢痕形成、椎管内炎症和限制轴突死亡，在促进功能最佳恢复和恢复组织动态平衡方面所起的作用，在更严重的脊髓损伤模型中也很明显，包括T9或L1脊柱水平的完全性钳子挤压损伤。

图1 小胶质细胞耗竭加剧了挤压伤的预后

二. 小胶质细胞通过调节受损的脊髓转录组来协调 SCI 后组织修复的最早阶段

为了深入了解小胶质细胞如何影响 SCI 后的组织稳态，使用大量 RNA 测序分析了来自小鼠喂养载体或 PLX5622 的假 SCI 脊髓。

使用 GEne SeT分析工具包确定了小胶质细胞依赖性基因控制 SCI 后的以下主要生物学过程：吞噬作用、细胞因子产生、对细胞因子的反应、内吞作用和蛋白质分泌。

为了了解这些小胶质细胞依赖的效应是否由一致的遗传“签名”编码，我们创建了一个维恩图来可视化前5个生物过程中的基因，这些基因在脊髓损伤后都增加了，而且也是小胶质细胞依赖的。

图2 RNA测序显示小胶质细胞控制脊髓损伤的免疫反应

三. scRNA-seq揭示了损伤脊髓转录组的时间依赖性和细胞特异性的变化

使用单细胞RNA测序(scRNA-seq)，进行降维聚类，并进行细胞分群和细胞注释定义，从21,016个单细胞分类成14中细胞亚型的细胞图谱。通过识别每个簇的最显着差异表达基因 (DEG) 来确认细胞类型。

图3 小鼠脊髓的单细胞 RNA 测序揭示了 SCI 和小胶质细胞耗竭后细胞组成的变化

四. scRNA-seq揭示损伤脊髓中小胶质细胞的功能异质性

通过计算选择了脊髓损伤小鼠的小胶质细胞簇，以揭示脊髓损伤前后小胶质细胞特异性基因表达的变化。鉴定了11个主要的小胶质细胞亚群。当在每个细胞的基础上分析小胶质细胞的基因表达时，具有代表性的小胶质细胞稳态基因在脊髓损伤后减少，而增殖、脂肪处理和铁处理基因增加；非脂质吞噬基因在7dpi时瞬时增加。

综上所述，这些数据验证了Bulk RNA序列数据，并表明小胶质细胞对SCI的主要反应是控制增殖、蛋白质翻译、代谢活性、铁和脂肪加工以及免疫反应的基因转录增加。

图4 小胶质细胞采用不同的、时间依赖的转录表型对脊髓损伤的反应

五. 小胶质细胞调控脊髓损伤后巨噬细胞的募集和功能

为了了解MDM对SCI的反应以及小胶质细胞如何调节MDM的功能，我们通过计算选择了MDM集群。

通过分析每个细胞的基因表达，也评估了脊髓损伤和小胶质细胞对MDM集群的依赖作用。研究了6个主要MDM亚集的选定基因变化，其中巡视基因在SCI后减少，但胆固醇处理、脂处理和脂结合基因在7和/或28 dpi时增加。小胶质细胞耗尽减少了胆固醇加工和组织蛋白抑制基因，但增加了28dpi的脂结合基因。小胶质细胞耗尽的主要作用是增加MDM的整体基因表达且小胶质细胞耗尽增加的MDM基因主要与细胞黏附和细胞膜重组有关。

因此，小胶质细胞控制MDM在椎管内的募集及其进入病变部位时的功能潜力。如果没有小胶质细胞，MDM的募集就会受损，MDM不能在原发病变区内附着和迁移，而那些能够附着和迁移的MDM就有可能不受控制地降解基质。