Nature | TSC2-mTORC1异常驱动星形胶质细胞命运偏移与反应性

撰文|阿童木

结节性硬化症（TSC）是一种由 TSC1 或 TSC2 基因突变引起的多系统发育性疾病，可在脑、肾、心脏等多个器官形成错构瘤【1】。大脑皮质结节是TSC最典型的病理特征之一，其中部分结节及其周围区域可成为癫痫发作的病灶。对于难治性癫痫患者，手术切除致痫区域有时能够改善症状，但这些异常组织由哪些细胞产生，又如何在发育过程中逐渐形成，仍未完全阐明。

皮质结节的细胞组成十分复杂，包括畸形神经元、发育异常并伴胶质增生的星形胶质细胞、活化的小胶质细胞，以及同时具有神经元、胶质细胞和祖细胞特征的巨细胞【2】。过去对TSC神经病理的研究更多集中于神经元，但转录组和组织学研究显示，结节中同样存在明显的星形胶质细胞异常和神经炎症。问题在于，临床获得的皮质结节通常来自长期难治性癫痫患者，因此很难判断这些胶质改变是疾病早期的一部分，还是长期癫痫活动造成的继发结果。

目前解释皮质结节形成的重要模型是“二次打击（second-hit）”假说【3】。患者首先携带 TSC1 或 TSC2 的生殖系杂合突变，随后部分神经祖细胞再次发生体细胞突变，使剩余的正常等位基因失活。TSC1–TSC2复合物功能由此丧失，mTORC1持续激活，并进一步影响祖细胞的生长、增殖和分化。这一模型能够解释皮质结节的局灶性，以及病灶中只有部分细胞表现出高度mTORC1活化的现象。不过，并非所有皮质结节都能检测到明确的二次打击，因此这些病灶的细胞起源和形成机制仍有不少问题尚待解决。

近日，加州大学伯克利分校 Helen S. Bateup 团队在 Nature 杂志发表了题为 mTORC1 drives cell-autonomous astrocyte reactivity in tuberous sclerosis 的研究。作者利用遗传嵌合人脑类器官、单细胞转录组、星形胶质细胞纯化以及患者皮质结节循环免疫成像等方法发现，TSC2双等位基因缺失和mTORC1持续激活可使神经祖细胞偏向星形胶质细胞命运，并诱导细胞自主的反应性状态。这些星形胶质细胞不仅形态肥大，还伴随谷氨酸转运蛋白EAAT1下降和多种炎症相关因子分泌增加。

为了追踪TSC2缺失细胞在脑发育过程中的命运，作者建立了遗传嵌合的人脑类器官模型。研究人员在人多能干细胞中构建条件性TSC2等位基因，并在类器官分化第8天利用Cre使部分神经祖细胞发生TSC2双等位基因失活，同时用tdTomato标记这些细胞。这样，TSC2缺失细胞和杂合对照细胞能够在同一个类器官中共同发育，从而减少培养条件和外部环境差异带来的影响。随后，作者分别在类器官分化第50、120和220天进行单细胞RNA测序，发现与同一类器官中的TSC2杂合细胞相比，TSC2 -/-细胞明显更倾向于进入胶质细胞谱系。这一差异在第50天已经出现，之后随着发育逐渐扩大。进一步的细胞类型分析表明，这种变化主要表现为向星形胶质细胞方向偏移，而不是所有胶质细胞类型普遍增加。

这些增加的星形胶质细胞同时表现出明显的异常状态。单细胞转录组显示，TSC2-/-星形胶质细胞上调 GFAP、S100B、APOE、CLU、SPARCL1 和 PTGDS 等基因，并增加 SERPINA3、CD44、CCL2 和 CRYAB 等多种与反应性星形胶质细胞相关的分子。基于反应性星形胶质细胞相关基因构建的模块评分也显示，TSC2-/-细胞在不同发育阶段均具有更强的反应性转录特征。此外，这些细胞还伴随神经炎症、抗氧化应答、细胞外基质重塑以及脂质代谢和运输等通路变化。

此外，单个TSC2等位基因缺失产生的影响则明显较弱。在single-hit模型中，TSC2+/-细胞虽然出现轻度的反应性星形胶质细胞转录特征，但没有出现明显的mTORC1激活、胶质分化偏移和典型形态异常。这些结果说明，在该类器官模型中，TSC2双等位基因失活是形成典型类结节细胞表型的重要条件。

接下来，作者分析了这些细胞在蛋白表达、形态和分泌功能上的变化。完整类器官成像显示，TSC2 -/-星形胶质细胞明显肥大，细胞体增大，主要突起变粗，同时精细分支减少。将星形胶质细胞从类器官中纯化后，还可以观察到一部分异常的多核细胞，其中一些细胞含有多个细胞核，这与TSC皮质结节中巨细胞的部分形态特征相似。在功能相关蛋白中，一个突出的变化是星形胶质细胞谷氨酸转运蛋白 EAAT1 明显下降。EAAT1参与清除细胞外及突触周围的谷氨酸，是维持兴奋性神经传递稳态的重要分子。因此，EAAT1减少可能削弱星形胶质细胞对谷氨酸的清除，从而增加周围神经元过度兴奋的可能性。

TSC2缺失同时改变了类器官的分泌谱。作者检测培养液中的105种分泌因子，发现 GDF15、CHI3L1、CCL2、SERPINE1、HGF、CSF1 和 MIF 等多种与炎症、损伤或疾病状态相关的因子增加。由此，少量TSC2完全缺失的细胞除了自身发生改变外，还可能通过分泌信号影响周围未发生突变的细胞。

为了判断这一异常状态是否可以通过抑制mTOR逆转，作者使用rapamycin或Torin-1处理纯化的TSC2 -/-星形胶质细胞。处理后，p-S6、APOE、Clusterin和p62等信号均有所下降。但多参数循环免疫成像显示，药物处理后的细胞并没有完全恢复到野生型状态，而是处于两者之间。也就是说，在这一实验条件和时间范围内，mTOR抑制能够部分缓解TSC2缺失星形胶质细胞的反应性表型，但不足以完全恢复其稳态。

随后，作者分析TSC患者手术切除的皮质结节，检验类器官中观察到的细胞状态是否也存在于真实病变组织。结果显示，mTORC1活性较高的p-S6高表达细胞更常表达S100β、Nestin和Vimentin等胶质及反应性星形胶质细胞相关蛋白，同时APOE、Clusterin、CRYAB和p62的表达也更高。

作者进一步对10个皮质结节中的117,901个细胞进行image UMAP分析，识别出一个数量很少的异常细胞群。这些细胞具有最高水平的p-S6，并富集 GFAP、S100β、Vimentin、APOE、Clusterin、CRYAB 和 p62 等蛋白，而神经元相关蛋白相对较低，其蛋白表达特征与类器官中的TSC2-/-反应性星形胶质细胞相吻合。这类mTORC1高度活化的细胞在患者皮质结节中不足全部细胞的1%。尽管数量有限，它们仍可能通过两种途径影响周围组织：一方面，EAAT1下降可能削弱星形胶质细胞维持谷氨酸稳态的能力；另一方面，炎症和损伤相关因子的释放又可能对周围细胞产生非细胞自主效应。

总体来看，这项研究说明，TSC皮质结节中的星形胶质细胞异常并不只是长期癫痫发作后的伴随现象。TSC2缺失和mTORC1持续激活本身就能够在神经发育过程中促进异常胶质发生，并推动星形胶质细胞进入反应性状态。 这些细胞伴随EAAT1下降、炎症相关因子释放和细胞外环境重塑，可能由此参与TSC皮质结节及局部神经网络异常的形成。

https://doi.org/10.1038/s41586-026-11054-w

制版人： 十一

参考文献

1. Salussolia, C. L., Klonowska, K., Kwiatkowski, D. J. & Sahin, M. Genetic etiologies, diagnosis, and treatment of tuberous sclerosis complex.Annu. Rev. Genomics Hum. Genet.20, 217–240.

2. Sosunov, A. A. et al. Tuberous sclerosis: a primary pathology of astrocytes?Epilepsia49, 53–62.

3. Crino, P. B. The mTOR signalling cascade: paving new roads to cure neurological disease.Nat. Rev. Neurol.12, 379–392.

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