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來源：BioArt
哺乳動物中成體神經(jīng)干細(xì)胞 (neural stem cells, NSCs) 可以通過增殖、分化和遷移一系列過程源源不斷地產(chǎn)生新生神經(jīng)元，這一過程被稱為成體神經(jīng)發(fā)生。成體神經(jīng)發(fā)生產(chǎn)生的新生神經(jīng)元在學(xué)習(xí)記憶和情緒調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮重要功能，而它們的功能異常通常與大腦各種疾病相關(guān)【1】。成體NSCs并不是均質(zhì)的，而是在細(xì)胞形態(tài)、增殖能力、細(xì)胞潛能和功能上呈現(xiàn)出高度的異質(zhì)性【2-4】。然而，目前并不清楚成體NSCs的異質(zhì)性是什么時候建立的，以及神經(jīng)源性生態(tài)位中成體NSCs不同亞群在自我更新和分化能力方面有何不同【5】。因此，解釋成體NSCs不同亞群的起源和對神經(jīng)發(fā)生的貢獻(xiàn)，是促進(jìn)我們對成體NSCs和成體神經(jīng)發(fā)生過程理解的一個充滿挑戰(zhàn)卻又十分關(guān)鍵步驟。
在胚胎神經(jīng)發(fā)育時期，形態(tài)發(fā)生因子Wnt (wingless/integrated) 和Shh (sonic hedgehog) 呈濃度梯度分布，從而決定大腦背腹軸的發(fā)育。而且，研究表明側(cè)腦室下區(qū) (subventricular zone, SVZ) 中成體NSC的區(qū)域特異性是由在胚胎發(fā)育早期通過形態(tài)發(fā)生因子和轉(zhuǎn)錄因子串聯(lián)調(diào)控下決定的。Wnt和Shh在空間和時間上的特定濃度梯度對胚胎和成年大腦的模式化起著重要作用，但它們是否決定了不同成體NSCs亞群的起源仍然未知。
2023年8月21日，來自中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物研究所的郭偉翔課題組在Developmental Cell期刊在線發(fā)表了題為 Functional Heterogeneity of Wnt-Responsive and Hedgehog-Responsive Neural Stem Cells in the Murine Adult Hippocampus 的研究論文。該文章不僅揭示了成體NSCs的異質(zhì)性多重起源，而且提出了不同的成體NSCs亞群存在功能異質(zhì)性的概念。
文章作者使用Axin2-CreERT2或Gli1-CreERT2小鼠分別對海馬體中Wnt響應(yīng)(Axin2+)和Shh響應(yīng) (Gli1+) 的兩個不同NSCs亞群進(jìn)追蹤和分析，發(fā)現(xiàn)xin2+和Gli1+胚胎神經(jīng)祖細(xì)分別在胚胎發(fā)育早期和晚期貢獻(xiàn)海馬體中的成體NSCs。相對于Gli1+ NSCs，Axin2+ NSCs在出生后更早地定位于海馬體的顆粒下層 (subgranular zone) 。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，Axin2+胚胎NSCs在生后P3-P5轉(zhuǎn)化為更靜止的成體NSCs，而Gli1+胚胎NSCs在出生后P5-P7轉(zhuǎn)化為更靜止的成體NSCs。這些結(jié)果說明了成體海馬中Axin2+ 和Gli1+ NSCs時空起源的不同。
為了探索Axin2+和Gli1+ NSCs在成體海馬神經(jīng)發(fā)生中的貢獻(xiàn)是否存在差異,作者開展體內(nèi)細(xì)胞克隆分析。發(fā)現(xiàn)成體海馬中Axin2+ NSCs具有更高的增殖活性和積極的自我更新能力，而Gli1+ NSCs相對靜止。同時Axin2+ NSCs對環(huán)境刺激不敏感且在衰老過程保持相對穩(wěn)定的增殖活性，而Gli1+ NSCs對環(huán)境刺激有顯著的響應(yīng)，并隨著衰老的進(jìn)程逐漸靜止。這表明成體海馬中Axin2+和Gli1+ NSCs對成體神經(jīng)發(fā)生貢獻(xiàn)的不同。
為了尋潛在的分子與細(xì)胞證據(jù)解釋Axin2+和Gli1+ NSCs在成體海馬神經(jīng)發(fā)生的差異， 作者開展scRNA-seq分析。他們發(fā)現(xiàn)Axin2+和Gli1+ NSCs在海馬成體神經(jīng)發(fā)生過程中遵循不同的神經(jīng)發(fā)生軌跡。進(jìn)一步對新生神經(jīng)元的形態(tài)進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)Gli1+ NSCs產(chǎn)生的新生神經(jīng)元比Axin2+ NSCs產(chǎn)生的新生神經(jīng)元具有更復(fù)雜的樹突分枝。更為重要的是，通過逆行病毒示蹤，發(fā)現(xiàn)Gli1+ NSCs產(chǎn)生的新生神經(jīng)元比Axin2+ NSCs產(chǎn)生的新生神經(jīng)元表現(xiàn)出更高的突觸連接率，接收更多來自大腦中不同的特定腦區(qū)的神經(jīng)元突觸輸入，例如內(nèi)側(cè)隔核和內(nèi)嗅皮層。這些結(jié)果說明Axin2+和Gli1+ NSCs分化產(chǎn)生的神經(jīng)元存在著一定功能異質(zhì)性。
為了探究成體Axin2+和Gli1+ NSCs是否參與了海馬體的不同功能，作者使floxed-stop可操控表達(dá)的細(xì)胞毒素-白喉毒素A亞基 (diphtheria toxin subunit A)，特異性清除Axin2+和Gli1+ NSCs。通過行為學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，特異性清除Axin2+和Gli1+ NSCs都會導(dǎo)致海馬依賴性學(xué)習(xí)和記憶功能受損，這表明Axin2+和Gli1+ NSCs是學(xué)習(xí)和記憶功能所必需的。意想不到的是，只在特異性清除Axin2+ NSCs時，小鼠在束縛壓力應(yīng)激下更易獲得抑郁樣行為。這說明了Axin2+ NSCs，而不是Gli1+ NSCs，直接參與緩沖壓力應(yīng)激反應(yīng)。
綜上所述，通過對以上兩群不同海馬成體NSCs從胚胎起源、細(xì)胞增殖分化以及對海馬功能的全面性研究，該研究不僅揭示了成體NSC異質(zhì)性的多重起源，而且進(jìn)一步拓展了成體NSC異質(zhì)性的概念：不同成體NSC亞群可能具有不同功能而且產(chǎn)生的神經(jīng)元也具有異質(zhì)性。
中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所郭偉翔研究組博士羅行為本文的第一作者，郭偉翔研究員為本文的通訊作者。中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所王秀杰研究員和戴敏博士等參與了該研究。
原文鏈接：https://10.1016/j.devcel.2023.07.021
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