最新研究報(bào)道一類(lèi)特殊的小膠質(zhì)細(xì)胞，可調(diào)節(jié)小鼠大腦的發(fā)育和功能
近日，Vassilis Stratoulias和Bertrand Joseph團(tuán)隊(duì)報(bào)道了報(bào)道了小膠質(zhì)細(xì)胞的分子多樣性。他們發(fā)現(xiàn)了表達(dá)ARG1（arginase-1）的小膠質(zhì)細(xì)胞亞型，存在于小鼠早期腦部。ARG1+細(xì)胞含有吞噬物質(zhì)，表現(xiàn)出獨(dú)特基因上調(diào)。敲除Arg1影響雌性小鼠認(rèn)知行為。
作者擴(kuò)展了小膠質(zhì)細(xì)胞的多樣性，揭示了該亞型的特定功能。他們的成果“ARG1-expressing microglia show a distinct molecular signature and modulate postnatal development and function of the mouse brain”發(fā)表在最近的Nature Neuroscience雜志上。
大腦發(fā)育自受孕后幾周開(kāi)始，成年早期完成。小膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)回路建立中起重要作用，且在疾病和產(chǎn)后期間表現(xiàn)多樣功能。作者報(bào)道了ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞，具有獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征和功能，參與發(fā)育中的大腦。
ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞主要存在于basal forebrain（BF）中
通過(guò)抗體篩選確認(rèn)，在野生型（WT）和兩性小鼠的大腦中，存在一個(gè)小膠質(zhì)細(xì)胞子群，其共同表達(dá)IBA1和ARG1。免疫熒光分析顯示，在P10和P28時(shí)，ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞與ARG1-小膠質(zhì)細(xì)胞共存（圖1a，b）。作者還發(fā)現(xiàn)ARG1+IBA1-細(xì)胞，但形態(tài)與小膠質(zhì)細(xì)胞不同，因此被排除在研究范圍。
圖1.在P10和P28雌性和雄性小鼠的BF中，ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞與ARG1-小膠質(zhì)細(xì)胞共存
進(jìn)一步使用YARG報(bào)告小鼠（YARG reporter mice）確認(rèn)了存在ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞。免疫標(biāo)記三維成像顯示，在P10和P28時(shí)，ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞聚集在多個(gè)大腦區(qū)域，其中以BF和vStr最為顯著（圖2a，b）。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)認(rèn)知功能研究具有重要意義。
圖2.ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞在P10和P28 WT小鼠的大腦中具有位點(diǎn)特異性分布。
ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞在早期發(fā)育中豐富
在P10、P28和P100的調(diào)查年齡中，ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞存在且數(shù)量差異巨大。然而，BF/vStr區(qū)域的ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量從P10顯著減少至P28（圖1c），而在P100時(shí)，僅剩下少量細(xì)胞?？偟膩?lái)說(shuō)，這些數(shù)據(jù)支持在正常小鼠大腦中存在表達(dá)ARG1的特定小膠質(zhì)細(xì)胞子群，并與膽堿能系統(tǒng)呈現(xiàn)有趣的時(shí)空重疊（spatiotemporal overlap）。
P13 ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞具有獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征
為了評(píng)估ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞的基因表達(dá)特征，作者進(jìn)行了批量RNA測(cè)序分析。他們從腹側(cè)區(qū)域到胼胝體和側(cè)心室前部分離出ARG1-YFP+CX3CR1+小膠質(zhì)細(xì)胞和ARG1-YFP-CX3CR1+小膠質(zhì)細(xì)胞，并排除了嗅球（圖3a）。確認(rèn)性免疫組織化學(xué)分析表明ARG1和YFP蛋白在細(xì)胞中的表達(dá)是并發(fā)的。
通過(guò)熒光激活細(xì)胞分類(lèi)（FACS）選擇ARG1-YFP+CX3CR1+的陽(yáng)性細(xì)胞，收集感興趣的細(xì)胞群（圖3a）。RNA-seq數(shù)據(jù)顯示ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞具有獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征，上調(diào)了150個(gè)基因，下調(diào)了109個(gè)基因（圖3b，c）。性別對(duì)ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組影響較小。這些細(xì)胞表達(dá)小膠質(zhì)穩(wěn)態(tài)基因，如P2ry12、Tmem119、Siglech等（圖3e）。相比ARG1-小膠質(zhì)細(xì)胞，ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)Axl、Apoe、Clec7a等基因（圖3b-d）。這些結(jié)果表明ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞不是替代性膠質(zhì)細(xì)胞，具有獨(dú)特的特征和功能。
圖3.在雌性和雄性P13小鼠中，ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組與鄰近的ARG1-小膠質(zhì)細(xì)胞有很大不同。
Arg1小膠質(zhì)細(xì)胞缺失影響雌性小鼠的認(rèn)知
ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞與ARG1-小膠質(zhì)細(xì)胞有不同的時(shí)空分布和轉(zhuǎn)錄組。作者用小鼠模型敲除小膠質(zhì)細(xì)胞中的Arg1基因（圖4a，b），確認(rèn)了ARG1的表達(dá)被抑制。在Arg1消失后，ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞仍然存在。對(duì)認(rèn)知功能的研究發(fā)現(xiàn)，Arg1敲除雌性小鼠的空間記憶受影響（圖5c，d），但運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)功能不受影響。
圖4. Arg1小膠質(zhì)細(xì)胞cKO導(dǎo)致2至3個(gè)月大的雌性小鼠認(rèn)知表型受損。
Arg1小膠質(zhì)細(xì)胞缺失會(huì)影響膽堿能神經(jīng)支配
腦的膽堿能系統(tǒng)參與海馬神經(jīng)元的維持、學(xué)習(xí)、記憶等過(guò)程。海馬體接收內(nèi)側(cè)隔核和nucleus of the diagonal band of Broca (DB)的膽堿能輸入。作者研究了膽堿乙酰轉(zhuǎn)移酶（ChAT）在這些區(qū)域的分布。結(jié)果顯示ChAT+細(xì)胞體均勻分布在Arg1-對(duì)照和Arg1-cKO大腦，沒(méi)有差異。
Golgi-Cox制劑顯示內(nèi)側(cè)隔核和DB神經(jīng)元具有特殊形狀，并有多個(gè)樹(shù)突。ChAT免疫組織化學(xué)顯示膽堿能纖維在海馬體廣泛分布，尤其集中在齒狀回和CA1層（圖5a-f）。在Arg1-對(duì)照海馬中觀察到ChAT+中間神經(jīng)元，而在Arg1-cKO海馬中不存在。此外，Arg1-cKO海馬中ChAT+纖維密度較低。
圖5. 2至3個(gè)月大的雌性小鼠的Arg1-cKO hippocampi的膽堿能神經(jīng)支配降低。
Arg1小膠質(zhì)細(xì)胞缺失影響LTP
作者驗(yàn)證了雌性Arg1-cKO小鼠是否在Schaffer collateral–CA1突觸誘導(dǎo)和表達(dá)LTP。雌性Arg1對(duì)照小鼠在誘導(dǎo)后60和120分鐘表現(xiàn)出強(qiáng)烈LTP（圖5a）。然而，Arg1-cKO雌性小鼠顯示受損的早期和晚期LTP（圖5b，c）。雄性Arg1-cKO小鼠表現(xiàn)出減少但未受損的E-LTP和L-LTP（圖5b，c）。研究發(fā)現(xiàn)Schaffer-CA1通路的短期增強(qiáng)未受影響（圖5d）。
圖5. 在2至3個(gè)月大的雌性Arg1-cKO小鼠中預(yù)防LTP。
總結(jié)與展望
早期產(chǎn)后小膠質(zhì)細(xì)胞在突觸調(diào)節(jié)、清除和存活中起關(guān)鍵作用。作者發(fā)現(xiàn)ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞與ARG1-無(wú)明顯差異，但參與BF系統(tǒng)和突觸可塑性的調(diào)控。該系統(tǒng)對(duì)發(fā)育障礙和疾病如自閉癥、阿爾茨海默氏病至關(guān)重要。小膠質(zhì)細(xì)胞在阿爾茨海默氏病中被廣泛研究，特別是女性患者。作者的研究揭示了ARG1+小膠質(zhì)細(xì)胞在BF發(fā)展中的潛在調(diào)節(jié)作用。
參考文獻(xiàn)
Stratoulias, V., Ruiz, R., Kanatani, S. et al. ARG1-expressing microglia show a distinct molecular signature and modulate postnatal development and function of the mouse brain. Nat Neurosci (2023).
https://doi.org/10.1038/s41593-023-01326-3
編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）
校審：Simon（brainnews編輯部）
