京都大学确定深度睡眠神经干细胞的唤醒信号

京都大学边境生命与医学科学研究所的组长Ryoichiro Kageyama说:我们之前没有人直接将胚胎中的活性干细胞与无活性的静止成体干细胞进行比较,他们指出至少有两个基因及其已经鉴定了调节激活的相关蛋白质。

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东京大学的Yukiko Gotoh教授领导着科学家团队,他们确定了神经干细胞如何丧失产生神经元潜力的表观遗传控制机制。

神经干细胞是神经发生的基础。神经干细胞库的维持不但对大脑的早期发育有着至关重要的作用,而且也与成年阶段大脑功能的正常行使密切相关。在大脑发育的早期,大量的神经干细胞非常活跃地增殖,分化,迁移,整合,形成具有复杂结构和功能的大脑皮层;但到了成年阶段,神经干细胞的数量大幅减少,神经发生的规模也急剧下降,并且只存在于特定的大脑区域内。以成年小鼠的大脑为例,神经干细胞主要存在于大脑的侧脑室区域和海马齿状回亚颗粒层区域。在这两个区域,绝大多数的神经干细胞处于不分裂的静息状态,当自身或环境的信号发生变化时,能够响应这些变化而被激活,从新进入细胞周期,启动后续一系列神经发生的过程。成年海马区的神经发生被证明与场景分辨,空间学习记忆,抑郁等认知和情绪调节密切相关,也与帕金森和阿尔茨海默等神经退行性性疾病有一定关联。在成年小鼠海马区,树形放射状的静息的神经干细胞被神经元所围绕,它们作为静息干细胞的状态是如何得到维持的? 又是如何响应自身或外界的环境信号而进一步增殖,分化,迁移和整合到神经环路当中去发挥神经元的功能的?其中有很多问题并不清楚,值得进一步研究探索。

重要的是,相同的基因对这些干细胞的活跃和静止状态负责,Kageyama补充说。只有两者之间的表达动态不同。更好地理解这些不同表达动力学的调节机制可以让我们将休眠细胞转换为治疗一系列神经系统疾病的一部分。

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PRC1在早期阶段短暂地抑制与神经元功能相关的基因,但在脑发育的后期永久地抑制。

2019年8月6日,来自瑞士巴塞尔大学的Verdon Taylor实验室 在Cell Reports 杂志上在线发表封面文章Id4 Downstream of Notch2 Maintains Neural Stem Cell Quiescence inthe Adult Hippocampus。他们通过在不同成体小鼠模型中对海马区神经干细胞及其子代的命运进行了一系列的追踪分析,并比较了野生型和突变型的神经干细胞中的基因表达情况,发现了Id4作为Notch2 信号通路直接调控的靶基因,能够与下调的细胞周期相关基因一起共同维持海马区成体神经干细胞的静息状态,调控神经干细胞库激活和静息的动态平衡。

bfa234.com ,困难在于,随着年龄的增长,我们的大脑干细胞睡着了,并且在需要修复时变得更难醒来。尽管努力利用这些细胞来治疗神经损伤,科学家们直到最近都没有成功解码潜在的睡眠机制。

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研究人员发现PRC1通过在大脑发育的早期阶段添加一种称为泛素的分子的活动来抑制与神经元功能相关的基因,其中神经干细胞产生神经元。然后,在大脑发育的后期,当干细胞转向产生星形胶质细胞时,泛素添加活性变得不必要。相反,PRC1在后期成为这些基因的簇(聚合物)。

研究人员进一步通过比较从海马区分离得到的Notch2 缺失和野生型的神经干细胞的基因表达谱发现,许多和细胞周期及细胞激活相关的基因在Notch2敲除后发生了显著的上调,而与干细胞静息相关的基因则表达明显降低,进一步印证了之前观察到的表型。相反地,在Notch2ICD过表达的神经干细胞中除了Notch 信号通路的经典靶基因Hes5之外,Id4基因也发生了非常显著的上调。通过染色质免疫共沉淀实验证实了Notch2ICD-Rbpj复合物与Id4 启动子区的结合,确认了Id4是直接受到Notch2 调控的靶基因。

随着时间的推移监测两种蛋白质的产生,该团队确定了一种类似波浪的模式,导致干细胞苏醒并转变为大脑中的神经元。当他们敲除制造Hes1所需的遗传密码时,细胞开始产生更多的Ascl1,然后几乎激活了所有的神经干细胞。

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再生医学的一个悖论是,神经干细胞在分化成其他细胞类型时会产生更少的细胞。我们希望培养特定的细胞类型和大量细胞,Gotoh说。

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该团队将注意力集中在蛋白质Hes1上,后者在成体细胞中强烈表达。这通常会抑制其他蛋白质如Ascl1的产生,其中少量的蛋白质由活性干细胞周期性地产生。

图片来源:PNAS

所有体细胞都具有相同的DNA,但是打开或关闭不同的基因以产生不同的细胞类型。为了了解大脑发育,研究人员研究了一种叫做多梳抑制复合物1(PRC1)的蛋白质如何控制神经干细胞内神经元功能相关基因的表达。早期的研究结果显示PRC1调节干细胞中的基因表达,但不知道具体的方式和时间。

研究人员通过诱导表达Hes5基因启动子驱动的Cre重组酶在神经干细胞中特异性地敲除Notch2 或过表达Notch2 胞内结构域,以此模拟Notch2 信号通路的缺失或持续激活状态来研究Notch2 在成年小鼠海马神经发生过程中的功能。他们通过报告基因和标志蛋白免疫荧光的方法追踪了Notch2敲除和过表达后不同时间点神经干细胞及其子代细胞的命运后发现,Notch2 蛋白的缺失在短时间内会促进静息态神经干细胞的激活,增加神经前体细胞和新生神经元的数量,促进神经发生;但长时间的缺失会导致神经干细胞库的快速消耗,最终损害神经发生。相反地,如果在神经干细胞中持续表达Notch2 胞内结构域,绝大多数的神经干细胞将维持在静息状态,抑制神经干细胞的增殖和成体神经发生。有意思的是,在老年小鼠神经干细胞中敲除Notch2,能够在短时间内有效的促进神经前体细胞和新生神经元的产生,一定程度上恢复了在该年龄阶段已经衰退的神经发生。

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在一项新的研究中,来自美国西奈山伊坎医学院的研究人员证实在动物模型中,来自胎盘的称为Cdx2细胞的干细胞能够在心脏病发作后再生健康的心脏细胞。这些研究结果可能代表了一种再生心脏和其他器官的新疗法。相关研究结果发表在PNAS期刊上。

神经干细胞必须跟踪自己的日历。即使在体外生长,它们也能正常分化为神经元,然后进入星形胶质细胞,Gotoh说。

Id4蛋白的全称是Inhibition of DNA binding protein 4,是Id 蛋白家族的成员之一,在神经发育的早期有抑制细胞分化的功能。在已发表的高通量测序数据中,Id4在静息的神经干细胞中有较高水平的表达,但其在成体神经干细胞中的功能尚未被报道。实验表明,在体外培养的神经干细胞中过表达Id4能够阻滞细胞周期,降低细胞增殖;并且在Notch2ICD过表达的神经干细胞中敲低Id4能够减弱Notch2ICD对神经干细胞增殖的抑制。在小鼠海马中,Notch2 的敲除会引起Id4阳性的神经干细胞数量降低,Notch2ICD过表达则能够维持Id4阳性的神经干细胞数量。为了进一步确认Id4在成年小鼠海马中的功能,研究人员还通过在Id4锚定小鼠的海马区原位注射携带有GFAP启动子驱动的Cre重组酶腺病毒对Id4在体内的神经干细胞中进行条件敲除。敲除结果表明,Id4 的缺失的确能够促进神经干细胞的激活和增殖,但在短时间内并没有像Notch2的缺失一样迅速增加神经前体细胞和新生神经元的数量。而如果将高表达Id4的慢病毒原位注射到野生型小鼠的海马区,则会维持并促进神经干细胞向星型胶质细胞转化,抑制神经元细胞的产生。

人体具有强大的治疗能力。但治疗脑部疾病绝非易事,因为脑细胞 - 神经元 - 再生能力有限。尽管如此,干细胞是一种天然的替代品,是我们仍在发展的胚胎的遗迹。

研究报告的主要撰写者、伦敦国王学院的Mauro Giacca教授说:"这对这一领域来说是一个非常激动人心的时刻。在用干细胞再生心脏的多次尝试都失败之后,我们第一次在大型动物身上看到了真正的心脏修复。"这是第一次证明心脏再生可以通过使用一种有效的基因药物来实现,这种药物可以刺激大型动物的心脏再生,就像人类的心脏解剖和生理一样。

了解大脑发育的两个不同阶段的不同控制机制可能为研究人员提供操作神经干细胞的新工具。该结果还可以帮助开发改变细胞类型的方法:例如,从成年患者中收集星形胶质细胞并将这些细胞转变为新的神经元。

研究背景

现在,京都大学研究小鼠脑化学的研究人员揭示了基因表达的潮起潮落,可能会唤醒神经干细胞的沉睡。这些发现也可能适用于身体其他部位的干细胞,最近发表在GenesDevelopment杂志上。

"在我们之前的研究中,我们所做的是开发CRMP2敲入小鼠并从基因上抑制其CRMP2磷酸化,"Ohshima教授解释说。 "结果,CRMP2敲入小鼠在脊髓损伤后表现出轴突再生的促进。由此,我们假设在视神经损伤后也可以观察到相同的现象。"在该研究中,科学家们比较了视神经挤压引起的视神经损伤后野生型和CRMP2过表达小鼠视神经的变性和再生情况。他们发现视神经挤压伤后微管的去稳定和解聚在CRMP2过表达小鼠中被抑制,并且视网膜神经节细胞的损伤也减少了。

他们从小鼠胚胎的大脑中收集神经干细胞,这些小鼠胚胎在母鼠体内生长,直到胚胎发育期的中点,或受孕后11天。然后,研究人员将细胞分成两组,在体外生长不同时期:一组直至神经发育的早期阶段,神经元形成时,另一组直至细胞转变为星形胶质细胞的晚期阶段。

综上所述,该研究通过详实的数据证明Notch2-Id4信号对于成年小鼠海马区神经干细胞的静息状态的维持有着重要作用。这一作用的实现主要依赖于Notch2 能够抑制成体神经干细胞中细胞周期相关基因的表达,同时促进Id4基因的表达。而适量的Id4蛋白能够阻止神经干细胞的过度活化增殖,促使神经干细胞保持静息状态。有意思的是,与Notch2 相比,Id4 对于神经干细胞命运的调控更为特异,主要作用于神经干细胞由静息向激活的转化,而对后续的神经元分化并无显著的促进作用,实现了神经干细胞增殖和分化的解偶联。该研究工作为我们提供了小鼠海马成体神经干细胞命运是如何受到精确调控的新机制,也为如何维持成体神经干细胞库的稳态和对抗随年龄退化的神经发生提供了新的思路。

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了解大脑如何首先发展不同的细胞类型有助于研究人员想象如何设计神经退行性疾病的治疗方法,如阿尔茨海默病,帕金森病和肌萎缩侧索硬化症(ALS或Lou Gehrig病),当这些细胞受损时。科学家也可以使用相同的信息来治疗身体其他部位的神经元损伤,包括脊髓损伤和其他疾病。

当这些研究人员在接受造血干细胞移植的小鼠中测试这种生物工程支架时,他们发现相比于没有接受这种支架注射的小鼠,接受这种注射的小鼠更快地产生T细胞。这些研究人员还发现,在植入这种生物工程支架的小鼠中,移植物抗宿主病的发生率显着降低,其中在移植物抗宿主病中,供者细胞攻击患者的健康组织和器官。接下来,这些研究人员的目标是扩大这项研究的规模,使得它适用于临床环境。

科学家在未分化干细胞向健康脑细胞的发育转变中发现了两种不同的控制机制。这种使用小鼠的基础研究可能为将来的神经退行性疾病和脊髓损伤的再生医学治疗提供信息。

研究者Ryoichiro Kageyama说道,在我们之前并没有科学家们能直接将胚胎中的活性干细胞与失活的休眠成体干细胞进行对比,深入研究后,研究人员重点关注了一种在成体细胞中强烈表达的名为Hes1的蛋白质,正常情况下,其会抑制名为Ascl1蛋白质的产生,其中一小部分是由活性干细胞周期性产生的。随着时间延续监测这两种蛋白质的产生,研究人员就发现了一种波形模式,其能促进干细胞苏醒并转化成为大脑中的神经元细胞。

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为了制作这种凝胶,研究小组使用一种已知的易于生物降解的聚合物来制造纳米纤维,这种材料已经在实际的医疗应用中使用了好几年。接下来,研究人员对纳米纤维进行了处理,使其中一些纤维能够与透明质酸结合--在实际的医疗应用中医生也在使用透明质酸--在这种情况下,纳米纤维可以形成凝胶,促进巨噬细胞的渗透,从而导致人体生成血管。研究人员因此获得了一种容易注射的凝胶,可以作为支架,也可以促进失去的软组织再生。

当胚胎发育时,干细胞分化成成人需要的所有类型的细胞。神经干细胞首先分化为神经元或神经细胞,然后分化为星形胶质细胞,支持大脑中的细胞。随着胚胎的成熟,神经干细胞失去了产生神经元的潜力。

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