标题：Neuroinflammatory astrocyte subtypes in the mouse brain
期刊: NATURE NEUROSCIENCE
影响因子：IF=24.884
导读
星形胶质细胞会在生物体感染、急性损伤和慢性神经退行性疾病中发生炎症转化。这种转变如何受到时间和性别的影响，其在单细胞水平的异质性，以及亚状态在大脑中的空间分布，目前还不清楚。本文中，研究者通过使用脂多糖（LPS）诱导小鼠急性炎症，并对小鼠皮质星形胶质细胞的转录组进行分析。结果显示星形胶质细胞在数小时内转录组发生了明显的变化。星形胶质细胞亚型经历了不同的炎症转变，各亚型具有明确的转录组图谱。研究者还利用空间转录组学和原位杂交技术将炎症诱导的反应性星形胶质细胞的关键亚状态定位于特定的大脑区域。本研究为星形胶质细胞的异质性提供了重要的理论基础，并将有助于理解区域受限反应性星形胶质细胞亚状态的生物学重要性。
主要技术
bulk RNA测序技术、单细胞RNA测序技术、空间转录组测序技术
主要结果
▶ 随着时间的推移，星形胶质细胞获得不同的炎症状态
为研究炎症过程中星形胶质细胞转录组随时间的变化，研究者在出生30-35天（P30-35）的小鼠腹腔注射LPS，以诱导炎症反应。LPS注射后3h、24h和72h，从小鼠皮质分选星形胶质细胞，提取RNA做bulk RNA测序。结果显示在LPS处理后3h、24h和72h，星形胶质细胞的基因表达发生了显著变化。常见的星形胶质细胞反应性标记物Gfap和Serpina3n在所有时间点均上调（图1e）；但各个时间点的基因表达变化又有很大不同（图1d），743个差异基因中只有4%在所有时间点均被诱导。例如，干扰素刺激基因（ISGs）在LPS处理后3小时表达最高（图1e、f）,而24h后，参与血管生成与细胞外基质重塑的基因（如Fbln5, Agt,Timp1）显著上调（图1e、f）。此外，研究者还通过分析雌性、雄性小鼠中的差异基因，发现了小鼠星形胶质细胞中性别特异性诱导的基因。
▶ 星形胶质细胞亚群分布在大脑不同区域
为进一步了解星形胶质细胞的异质性，研究者从注射LPS或生理盐水24h的小鼠皮层分选星形胶质细胞进行scRNA-seq（图2a）。使用细胞类型标记去除非星形细胞后，共保留79,944个细胞，鉴定到10个细胞类群(图2b,c)，这些亚群可分为灰质/上层富集(亚群0、1、3和8)或白质/深层/次皮层(亚群 2、4、5、6、7和9)。为确定这些星形胶质细胞群的空间位置，研究者对3只盐水处理小鼠和3只LPS处理小鼠大脑切片进行了空间转录组分析。通过星形胶质细胞特异性基因（如Gfap、S100b或Aldh1l1）的空间表达，结合单细胞转录组数据，确定了各细胞群的空间位置。
▶ 各星形胶质细胞亚群对炎症的反应不同
为阐明各亚群对LPS诱导的炎症反应，研究者对各个亚群分别进行了差异分析，结果显示LPS诱导后，所有星形胶质细胞群的基因表达谱都发生了显著变化。其中4亚群显示了最独特的差异基因（DEGs），而Cluster 8在炎症基因方面定义最明确，并表现出强烈的早期炎症反应，所以研究者决定进一步研究这两个亚群。白质亚群4占所有星形胶质细胞的5.9%，主要由炎症标志物Timp1、Gap43、Hspb1、Lcn2和Gfap定义，此外还表达干扰素诱导的典型基因，如Psmb8、Ifitm3和参与抗原呈递的基因(图3a-c)。空间转录组结果显示，4亚群主要存在于Gfap+白质束中,包括胼胝体,以及第三脑室和侧脑室之间。分析4亚群的基因表达谱，研究者发现，LPS处理后，所有脑组织中的4亚群中的基因都被显著诱导(图3e)。
与4亚群不同，8号亚群对LPS处理反应更早，更强烈，且该集群几乎只在LPS小鼠中出现，约占2.7%的星形胶质细胞。Cluster8除表达炎症相关基因（如ISGs）外，还表达参与抗原加工(Tap1和Tap2)和呈递(H2-Q4、H2-K1、H2-Ab1、H2-D1和H2-T23)和IFN诱导的GTPases (Gbp3、Gbp7、Gbp2、Irgm1、Iigp1和Igtp)(图4b、c)，提示这些星形胶质细胞暴露于干扰素，并使其抗原呈递能力增加。空间转录组学显示Cluster 8位于小鼠大脑的侧脑室和第三脑室周围、海马下方以及脑表面。最后研究者借助RNAscope技术验证了以上发现。
▶ 疾病模型中的干扰素反应性星形胶质细胞
在明确炎症特征的基础上，研究者将本文的研究数据与前人发表的来自阿尔茨海默病小鼠模型、多发性硬化(MS)小鼠模型和急性刺伤模型的scRNA-seq数据集整合在一起分析，以期进一步探讨8亚群是否存在于其他具有炎症成分的疾病模型中。以上数据集单独分析时，没有发现8亚群星形胶质细胞，可能是因为这些研究中8亚群星形胶质细胞的占比较低(~2.7%)。而当所有数据集整合分析时，在人类疾病的慢性小鼠模型中，研究者发现有部分星形胶质细胞表达了cluster8基因，它们的表达部分依赖于Trem2(图5a-c)。同时数据整合分析提供了一种可能性，即尽管在单个损伤中星形胶质细胞的反应存在异质性(例如，LPS诱导的炎症)，但在一些条件下，反应性星形胶质细胞的特定亚状态存在一些同质性。
参考文献：