Nat Neurosci：为什么受伤后细胞能“智能”修复？科学家揭示损伤响应增强子精准调控机制

当大脑或脊髓受伤时，体内的细胞会启动“应急响应”比如星形胶质细胞会变成一种特殊的“激活状态”，参与修复和炎症调控。科学家一直想弄清楚：这些细胞是如何知道自己该在什么时候、开启哪些基因的？答案藏在DNA里的“调控开关”增强子中。

基于此，2025年12月2日，瑞典斯德哥尔摩卡罗林斯卡学院细胞与分子生物学系Enric Llorens-Bobadilla研究团队在《nature neuroscience》杂志发表了“The regulatory code of injury-responsive enhancers enables precision cell-state targeting in the CNS”揭示了损伤响应增强子的调控编码可实现中枢神经系统中的精准细胞状态靶向。

作者研究了哺乳动物中枢神经系统在损伤后，不同细胞如何通过特定的“基因开关”（增强子）启动修复程序。他们结合单细胞测序和染色质开放性分析，在小鼠脊髓损伤后发现了数千个只在特定细胞类型中激活的增强子，尤其在胶质细胞中大量存在，即使调控的是相同的伤口反应基因这些增强子仍保持细胞特异性。通过深度学习模型发现，这些增强子的DNA序列巧妙地融合了两类信息：通用的损伤响应信号和细胞自身身份特征，从而确保只有特定细胞在损伤时精准启动相应基因。更重要的是，作者利用体内筛选证实，这些损伤响应型增强子可被用作“导航元件”，搭载治疗性基因载体后，能在整个中枢神经系统中特异性靶向活化的星形胶质细胞，而不影响其他细胞。这项工作揭示了损伤如何通过增强子编码细胞特异性反应，为未来设计智能基因疗法、精准干预疾病状态下的特定细胞提供了新策略。

图一 脊髓损伤中细胞类型特异的增强子调控图谱

为了揭示脊髓损伤后基因调控的机制，作者对小鼠中胸段脊髓挫伤部位进行了单细胞核转录组与染色质可及性联合分析，在急性、亚急性和慢性多个时间点取样全面捕捉损伤反应的动态变化。

考虑到神经元和少突胶质细胞已有较多研究，他们采用富集策略：一方面从完整组织构建无偏图谱，另一方面通过流式分选剔除常见细胞，并利用转基因报告小鼠特异性富集稀有的室管膜细胞。这一方法显著提升了星形胶质细胞、室管膜细胞和免疫细胞等“低调但关键”群体的检测比例。

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最终数据集包含67,072个高质量细胞核，覆盖所有主要神经与非神经细胞类型，以及局部和浸润性免疫细胞（后者主要出现在损伤早期）。通过高分辨率聚类，每类细胞被细分为功能状态明确的亚群，且这些亚群不仅有特异的基因表达特征，还对应着十倍数量级的差异染色质开放区域，其中80%以上位于远端调控元件（主要是增强子），而非启动子。

有趣的是，一些共有的损伤标志基因（如 Sox2）在不同细胞中由完全不同的增强子组合调控；而像周细胞和少突胶质前体细胞这类基因表达相似的细胞，也能通过其独特的增强子图谱被清晰区分。

图二 深度学习揭示脊髓损伤中细胞特异性增强子的调控语法

得益于高密度细胞采样和全基因组染色质可及性图谱，作者利用可解释的深度学习模型（如ChromBPNet）在小鼠脊髓中系统解码了各类细胞特异性增强子的调控“语法”。他们为每种主要细胞类型单独训练模型，使其仅凭DNA序列就能精准预测染色质开放状态。通过分析模型关注的关键序列特征，成功识别出大量与细胞身份相关的转录因子结合基序：例如神经元中的EBF1、星形胶质/室管膜细胞中的RORC/RFX4、少突胶质细胞中的SOX10、免疫细胞中的SPI1/IRF家族以及血管周围细胞中的ERG/SOX13。

这些基序常以组合形式出现在同一调控元件中，且82%对应的转录因子确实在相应细胞中表达，远优于传统富集分析方法（仅57%匹配）。结果表明，细胞类型特异的基因调控程序由特定转录因子基序的组合编码而成，而深度学习能以碱基对精度揭示这一逻辑，为理解中枢神经系统损伤响应的调控机制提供了强大工具。

图三 体内增强子AAV筛选鉴定出靶向反应性星形胶质细胞的IRENs

在识别出损伤响应增强子（IRENs）后，作者探索了它们能否用于精准靶向反应性星形胶质细胞。他们选取19个在该细胞状态中富集的IREN序列，将其克隆到腺相关病毒（AAV）载体中构建了一个混合增强子报告文库，并通过系统注射递送至小鼠体内。

结合脊髓损伤模型和单细胞RNA测序，研究发现：这些IRENs能特异性驱动报告基因（eYFP）且几乎只在损伤部位的反应性星形胶质细胞中激活，而在健康组织或其他细胞中无活性。相比之下，已知的普通星形胶质细胞增强子无论在损伤与否状态下均能驱动表达。

进一步分析显示，IRENs的活性依赖于AP-1（响应损伤）与SOX9/NFI（维持星形胶质细胞身份）等转录因子的协同作用。值得注意的是，一个人源星形胶质细胞增强子虽能在小鼠中标记星形胶质细胞，但因缺乏AP-1位点，不具损伤响应性，说明这类调控逻辑在物种间保守。

总结

这项工作通过单细胞分辨率的体内增强子筛选平台，成功验证了IRENs可作为“智能开关”，在特定病理状态下精准驱动基因表达，为未来开发靶向疾病相关细胞状态的基因疗法提供了新工具。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41593-025-02131-w

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