Immunity （IF 38.50）| 单细胞测序揭示IL-33-ST2-AKT信号轴调控小胶质细胞影响神经发育的机制
2022-04-02
中科新生命
1582
小胶质细胞是位于脑实质中的免疫细胞，在发育早期中调节神经回路和连接以及大脑稳态方面发挥着重要作用。小胶质细胞通过吞噬多余的突触，参与神经发育过程。小胶质细胞的吞噬功能异常可能导致突触修剪过度或不足，从而影响神经系统发育，导致相关精神疾病（自闭症和精神分裂症等）。美国哈佛大学医学院的研究团队在Immunity（IF 38.50）上发表题为“Disruption of the IL-33-ST2-AKT signaling axis impairs neurodevelopment by inhibiting microglial metabolic adaptation and phagocytic function”的研究成果，在这项研究中，研究人员利用10X genomics单细胞转录组测序结合Smart-seq2单细胞转录组测序发现小胶质细胞线粒体的活性与吞噬功能相关，并且表现出异质性，其中IL-33-ST2信号轴与线粒体的代谢作用相关。IL-33-ST2信号轴的受损影响了神经发育，增加了癫痫发作的可能性。
研究材料
技术路线
· 步骤1：通过流式分选技术、细胞学实验结合Smart-seq2测序发现了小胶质细胞的吞噬功能与线粒体的活性相关；
· 步骤2：通过10Xgenomics单细胞测序发现小胶质细胞的吞噬功能受IL-33-ST2信号轴驱动，且IL-33-ST2通路被阻断会导致突触异常和行为缺陷；
· 步骤3：实验发现IL-33-ST2信号轴在小鼠体内依赖AKT元件调控小胶质细胞的能量代谢；
· 步骤4：通过拟时序分析发现在大脑的发育过程中，小胶质细胞内AKT元件的激活受时间影响。
研究结果
1. 小胶质细胞线粒体活性与其在大脑中的吞噬功能相关
为了探索小胶质细胞的功能状态是否反映在它们的细胞代谢中，作者设计比较了出生后第9天的小鼠大脑中具有不同线粒体活性程度的小胶质细胞，发现线粒体活性高的小胶质细胞高表达CD63以及hallmark基因。同时通过对第9天的小胶质细胞研究发现，发现吞噬能力强的小胶质细胞同样具有高表达CD63以及hallmark基因的特征。显示了小胶质细胞线粒体活性在功能上与小胶质细胞吞噬活性的相关性。
2. IIL-33-ST2信号通路驱动小胶质细胞的吞噬能力
为了探索小胶质细胞内参与代谢功能相关的分子调控机制，作者设计比较了出生后第9天和第28天小鼠的MGact小胶质细胞群，发现具有高表达hallmark基因的细胞群。分析该细胞群发现其特异性高表达IL-33。通过进一步的分析并结合实验验证，发现IL-33具有促进小胶质细胞吞噬功能的作用，IL-33及其受体ST2的信号受阻会影响小胶质细胞对大脑神经突触的吞噬作用。
3.IL-33-ST2在体内依赖AKT元件实现对小胶质细胞的能量代谢途径的调控作用
接下来，作者试图解析IL-33调控小胶质细胞代谢和吞噬活性的潜在机制。通过差异基因分析，发现IL-33诱导体外培养的原代小胶质细胞中参与糖代谢和氧化磷酸化的酶基因上调，提示外源IL-33可促进小胶质细胞的糖代谢途径。作者通过实验对众多糖代谢途径中关键的作用元件进行验证，发现IL-33可诱导BV2细胞中AKT、NDRG1和mTOR的快速磷酸化。显示了IL-33-ST2信号通路依赖AKT的激活，从而对小胶质细胞的能量代谢和吞噬作用的调控。
4. 在大脑的发育过程中，小胶质细胞内AKT元件的激活受时间影响
鉴于小胶质细胞在出生后的发育过程中经历了各种功能上的变化，作者通过拟时序分析方法对不同发育阶段的小胶质细胞进行分析，识别随着小胶质细胞在不同发育阶段中依次激活或抑制的基因信息，从而推断出小胶质细胞的发展轨迹。然而作者发现在出生后的第28天小鼠的小胶质细胞内IL-33依旧呈现高表达现象，显示了关于小胶质细胞的能量代谢存在其他调控途径。通过对拟时序分析结果进一步的分析，发现了在第28天的细胞中代谢拮抗相关基因高表达，其中包括Pten和Inpp5d，表明AKT活性在神经发育过程中也受到时间调控。
小编小结
作者通过10Xgenomics单细胞转录组结合Smart-seq2转录组数据，分析了小鼠在发育过程中IL-33-ST2-AKT信号轴在大脑神经发育过程中的重要作用。这种能量代谢的调控机制的稳态，影响了小胶质细胞的吞噬功能和神经发育，为后续研究神经发育和精神类疾病提供了新的思路和理论基础。
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