“相生相克”的少突胶质细胞前体和皮质中间神经元

撰文 | 言笑

大脑皮层是一个进化的高级大脑区域，由细胞层组成，切线排列成服务于高级认知功能的区域。在发育过程中，大多数皮质中间神经元（Cortical interneurons,cIN,以下简称为中间神经元）产生于前脑腹侧，其中一些前体细胞同时产生少突胶质细胞前体细胞（oligodendrocyte precursor cells,OPCs）。OPCs分化为少突胶质细胞，其主要功能是用髓鞘包裹轴突，以支持动作电位的快速跃变传导，并为出生后大脑中的神经元提供代谢支持【1】。目前已经在前脑中鉴定出三种不同的OPCs群。这些细胞以具有明确时空模式的连续波（wave）的形式诞生，并从出生地迁移到大脑中定植。两个初始波在前脑腹侧产生，命名为vOPCs【2】。它们与中间神经元一起向皮层迁移，而第三个OPC波是由皮质壁（cortical wall）的一些祖细胞在出生时局部产生。研究表明，second-wave和third-wave OPC主要促成轴突髓鞘形成【2】，但first-wave vOPC的功能仍然难以捉摸。

大多数first-wave vOPC与中间神经元具有共同的胚胎起源。它们来自内侧神经节隆起和视前区的祖细胞，遗传交叉抑制机制控制中间神经元和first-wave vOPC的平衡生成。在胚胎发育过程中，vOPCs和中间神经元同时迁移到大脑皮层【2-3】。在迁移过程中，一些神经细胞会促进短暂的细胞相互作用，从而赋予它们一旦整合到皮质网络中所扮演的角色之外的其他功能。first-wave vOPC细胞群最初被认为是短暂的并在出生后第二周被消除【2】，但最近的单细胞分析显示其在成年期的某些大脑区域保持和持续存在【4】，提示first-wave vOPCs可能还存在其他的非经典功能。

进日，来自比利时列日大学的Laurent Nguyen团队与Carla G. Silva团队合作在Science杂志上在线发表了一篇题为Oligodendrocyte precursors guide interneuron migration by unidirectional contact repulsion的研究论文，作者通过评估vOPCs是否与中间神经元进行cross-talk以支持它们同时迁移到大脑皮层，揭示了vOPCs在大脑发育过程中的新功能：在迁移过程中，first-wave vOPCs扮演了一个瞬时角色，通过单向接触排斥引导皮质中间神经元远离血管系统，从而使中间神经元到达其适当的皮质区域。

首先，作者通过分析first-wave vOPCs和中间神经元的动态分布模式，观察到中间神经元和vOPCs在前脑区域的空间分离现象。在胚胎发育第11.5天（E11.5），这两种细胞类型大多分布在非重叠的皮下区域。First-wave vOPCs位于内侧神经节隆起/视前区的生发区，而中间神经元分布在subventricular和mantle zones。在E13.5，first-wave vOPCs在SVZ和MAZ沿线积累，对抗迁移中间神经元流。出生在中间神经节隆起的中间神经元组织成深部迁移流（deep migratory stream, DMS），来自视前区的中间神经元形成表层迁移流（superficial migratory stream, SMS）【5】。大多数first-wave vOPCs不整合这些迁移流，表明在早期胚胎发育阶段，first-wave vOPCs和中间神经元在subpallium空间隔离。作者还分析了first-wave vOPCs和中间神经元在E13.5胚胎的cortical wall中的分布，并跟踪它们在转基因小鼠中的迁移。中间神经元在位于边缘区 (marginal zone, MZ) 和中间区 (intermediate zone, IZ) 的两个主要切向流内迁移，但vOPCs在cortical wall内显示出不稳定的分布。在E16.5，许多中间神经元在皮质内分散，而大多数vOPCs积聚在皮质板下（cortical plate）。

接下来，作者想知道中间神经元和first-wave vOPCs的空间分离是对不同线索的响应，还是来自它们的相互作用。为了探究这两种可能性，作者将Pdgfra-CreERT和Sox10:GFP-DTA小鼠进行杂交，并给怀孕母鼠连续（E11.5和E12.5）腹腔注射tamoxifen，进而获得没有first-wave vOPCs的胚胎（OPCs-depleted embryos）。E14.5 vOPC-depleted胚胎的前脑由于中间神经元的分散增加而显示出DMS增大。对E13.5和E16.5胚胎dorsal forebrain的分析显示，first-wave vOPCs缺失时，进入皮质流的中间神经元数量减少。这些结果表明，vOPCs的缺失改变了前脑中间神经元的分布。

那么first-wave vOPCs缺失引起的中间神经元前脑分布受损是否是由其迁移行为的变化引起？作者将OPC-depleted小鼠与Dlx5,6:Cre-GFP小鼠杂交以产生GFP+ cIN-OPC-depleted胚胎，并跟踪GFP+中间神经元的迁移。来自E13.5胚胎的脑切片成像显示，GFP +cIN-OPC-depleted胚胎中中间神经元的皮质侵袭减少，中间神经元的迁移速度变慢，并且更接近cortical wall中的血管（isolectinB4标记）。中间神经元在皮质流中的有序迁移主要依赖于趋化分子（包括 Cxcl12）的梯度。作者用Cxcl12阻断抗体（Cxcl12 Ab）对来自于E13.5 GFP+ cIN-OPC-depleted胚胎脑切片进行孵育，并检测中间神经元的迁移距离。结果显示，在与Cxcl12 Ab 孵育的GFP+ cIN-OPC-depleted脑切片中，中间神经元与血管相互作用的时间更少，并且在接触后迁移远离血管。这些结果表明，血管邻近的first-wave vOPCs（在后期发育过程中，vOPCs迁移至血管附近【6】）阻止了Cxcl12介导的中间神经元与血管之间的相互作用。

First-wave vOPC-depletion会损害伴随出生的中间神经元在前脑实质（forebrain parenchyma）中的分布和迁移，表明first-wave vOPCs和中间神经元之间存在cross-talk。将来自E13.5胚胎的内侧神经节隆起外植体与视前区进行共培养，中间神经元的迁移行为并没有改变，表明培养物中first-wave vOPCs释放的因子不影响中间神经元迁移。接下来，作者探究了中间神经元和first-wave vOPCs之间的接触是否会影响它们各自的迁移行为。共培养内侧神经节隆起和视前区外植体（有或没有first-wave vOPCs）48小时后，作者观察到中间神经元在first-wave vOPCs存在时减少了视前区外植体侵袭，表明first-wave vOPCs可防止中间神经元侵入视前区域。在细胞水平上，活细胞成像显示，first-wave vOPC-中间神经元接触是一个多步骤事件。First-wave vOPCs伸展出一个分支，识别中间神经元在其生长锥状结构上的引导过程，然后是中间神经元的极性反转和迁移，而不会改变first-wave vOPCs迁移。这种单向接触排斥（unidirectional contact repulsion, UCoRe）在初始接触后可平均持续78.6 ± 6.11分钟并且是高度特异性的，仅在first-wave vOPCs和中间神经元之间发生。

最后，作者探究了单向接触排斥的分子机制。通过RNA测序和GO分析，作者重点关注了编码跨膜受体和膜结合信号分子的基因，并检测了这些信号通路是否是视前区和内侧神经节隆起外植体共培养中单向接触排斥的基础。与对照相比较，在中间神经元中同时敲低Plxn成员（Plxna1、a2、a3、b1和b2），单向接触排斥力大大受损。进一步分析显示在单向接触排斥中发挥主要作用的是Plxna3。随后，作者对first-wave vOPCs表达的将与Plxna3在单向接触排斥中合作的Sema(s)进行了鉴定。在一小部分与N2A细胞共培养的E13.5中间神经元中检测到单向接触排斥。在N2A细胞中过表达Sema6a和Sema6b后单向接触排斥的频率增加。通过敲除中间神经元中的Plxna3，证实N2A细胞中Sema6a或Sema6b过表达引发的单向接触排斥频率的增加需要中间神经元内源性表达Plxna3。这进一步表明，中间神经元Plxna3和first-wave vOPC Sema6a/6b之间的瞬态相互作用驱动单向接触排斥。

图1. 单向接触斥力为迁移中间神经元提供引导

总的来说，作者描述了小鼠大脑发育过程中first-wave vOPCs的迁移模式，并揭示单向接触排斥引导中间神经元迁移的机制（图1）：在胚胎发育过程中，中间神经元和first-wave vOPCs被血管释放的Cxcl12吸引。通过沿着这些结构迁移，first-wave vOPCs通过单向接触排斥来防止中间神经元和血管之间的接触。该机制为迁移中的中间神经元提供指导，并依赖于first-wave vOPCs表达的Sema6a/6b配体与中间神经元表达的Plxna3受体之间的相互作用。

https://doi.org/10.1126/science.abn6204

制版人：十一

参考文献

1. K. A. Nave, Myelination and the trophic support of long axons.Nat. Rev. Neurosci. 11, 275-283 (2010).

2. N. Kessaris et al., Competing waves of oligodendrocytes in the forebrain and postnatal elimination of an embryonic lineage.Nat. Neurosci.9, 173-179 (2006).

3. S. A. Anderson, D. D. Eisenstat, L. Shi, J. L. Rubenstein, Interneuron migration from basal forebrain to neocortex: Dependence on Dlx genes.Science278, 474-476 (1997).

4. S. Marques et al., Transcriptional convergence of oligodendrocyte lineage progenitors during development.Dev. Cell46, 504-517.e7 (2018).

5. G. Zimmer et al., Bidirectional ephrinB3/EphA4 signaling mediates the segregation of medial ganglionic eminence- and preoptic area-derived interneurons in the deep and superficial migratory stream.J. Neurosci.31, 18364-18380 (2011).

6. H. H. Tsai et al., Oligodendrocyte precursors migrate along vasculature in the developing nervous system.Science351, 379-384 (2016).

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