Cell Stem Cell | 神经干细胞静息状态与激活状态的调节机制

撰文 | 十一月

细胞生活在一个复杂的微环境中，该微环境被称为细胞龛 （Cell Niche） 。细胞龛接收大量分子信号。在稳态或者再生条件下，干细胞的维持依赖于细胞龛中反馈机制来调节干细胞处于静息状态或者激活状态。干细胞在静息状态与激活之间的平衡是如何被细胞龛调节的，以及是通过何种信号进行信号传递的仍是未解之谜。

近日，加拿大渥太华大学Armen Saghatelyan研究组在Cell Stem Cell上发表了文章Neural stem cell quiescence and activation dynamics are regulated by feedback input from their progeny under homeostatic and regenerative conditions，发现小鼠成体大脑中存在瞬时扩增祖细胞（transient amplification progenitor cells,TAP）包裹在神经干细胞周围，通过与神经干细胞接触并调节的Ca2+活性特征，调节神经干细胞的激活与否。该工作通过揭开神经祖细胞向干细胞提供反馈信号控制干细胞命运，为干细胞维持提供了新的机制。

在成体大脑中，位于脑室下区的神经干细胞大多数时间处于静息状态，在被激活后能够快速分裂产生TAPs，进而分裂形成神经母细胞。神经干细胞周围形成一个小的生态环境，包括星形胶质细胞、小胶质细胞、成熟神经元等，这些细胞元素与神经干细胞从而调节神经干细胞的活动以及生态位的维持【1】。Ca2+信号是多个细胞外信号交汇的信号中枢，能够调节干细胞的静息状态和激活状态。但是神经干细胞是如何整合和解码这些微环境信号的还不得而知。

为此，作者们首先标记神经干细胞以及破译其Ca2+动力学特征。作者们使用GFAP启动子以及Prominin启动子与快速Ca2+指示子GCaMP6f相结合，可以在成体神经干细胞以及其后代中追踪Ca2+的瞬时特性。通过在脑片中进行Ca2+成像以及多通道免疫染色，作者们对TAP细胞、成神经细胞、神经母细胞以及神经干细胞之间的Ca2+活性进行检测。作者们发现在神经干细胞与不同的细胞龛细胞类型之间钙离子活性具有特定的尺寸以及动力学特征。之后作者们建立了深度机器学习模型，可以通过钙离子活性特征来预测与神经干细胞相接触细胞龛类型。

之后，作者们将目光集中在钙离子活性以及神经干细胞进程之间的关系。作者们发现在神经干细胞和TAP之间存在重复性的钙离子活性接触位点。该结果说明TAP-NSC之间存在相互作用。

随后，作者们希望揭开TAP-NSC之间相互作用是如何实现的。神经干细胞中的钙离子活性可能是由TAP细胞中表达的配体所调节的，进而调节神经细胞静息状态与激活状态的动态变化。为此，作者们使用单细胞RNA-seq技术的对TAPs产生的配体进行检测。作者们共预测了31对受体-配体相互作者用，其中介导细胞与细胞之间相互作用的比如Ephrin （Efn） 、Slit、Semaphorin以及Notch家族等。在这些可能性中，因为高表达量，作者们将目光集中在Efn上。通过RNAscope等实验，作者们证实了TAPs-NSC特异性表达Efnb1-EphB1/B2，可能参与到TAP-NSC相互作用之中。

之后，作者们通过光激活法对EphB2在脑中进行激活，同时使用EphB2激酶失活型作为对照。作者们发现OptoEphB2可以显著激活钙离子活性。随后，通过CRISRP-Cas9敲除神经干细胞中的EphB2会影响到钙离子动态活性，从而引发神经干细胞的激活和增殖。

既然神经干细胞和TAP之间存在重要的相互作用，那么TAP可能通过EfnB1-EphB2在TAP-NSC结合位点调节钙离子活性从而维持神经干细胞。因此，通过抗有丝分裂的药物消除TAP会诱导神经干细胞激活，这会影响神经干细胞钙离子信号。AraC药物处理通过使用渗透微型泵造成快速分裂的细胞TAP的消除，但是几乎不会作用于缓慢分裂的细胞比如神经干细胞【2】。作者在们发现药物处理后会显著影响神经干细胞中的钙离子活性。在药物消除TAP之后，作者们使用体内光激活维持钙离子活性或者注射EfnB1可以抑制神经干细胞的激活。

总的来说，该工作发现在TAP与NSC之间的相互接触位点上具有特定的钙离子活性。在该接触位点所出现的钙离子活性热点是由Efn信号介导，Efn信号的调节或者TAP细胞的消除会改变神经干细胞的钙离子信号，促进神经干细胞激活。体内的光遗传调节钙离子动力学会废除神经干细胞激活以及阻止细胞龛位置的补充。因此，从TAP到神经干细胞之间的钙离子反馈信号控制神经干细胞的静息状态与激活状态，为干细胞池的维持提供了一个新的机制。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.01.001

制版人：十一

参考文献

1. Obernier, K., and Alvarez-Buylla, A. (2019). Neural stem cells: origin, heterogeneity and regulation in the adult mammalian brain.Development146, dev156059. https://doi.org/10.1242/dev.156059

2. Doetsch, F., Garcı´a-Verdugo, J.M., and Alvarez-Buylla, A. (1999).Regeneration of a germinal layer in the adult mammalian brain.Proc.Natl. Acad. Sci. USA96, 11619–11624.

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