跨物种单细胞测序揭示小胶质细胞基因表达谱进化特征 ​

小胶质细胞(microglia)是一类存在于中枢神经系统中的与其他组织巨噬细胞同源的具有固有免疫效应的细胞,被认为在神经系统的发育和相关疾病的发生中扮演重要角色,包括在大脑发育早期清除凋亡神经元、在神经退行性疾病(neurodegenerative disease)中促进神经炎症等。为了丰富对这一特殊神经细胞群体功能的认知,除了在空间层面对其细胞状态的异质性进行深入挖掘,在大尺度时间层面对其进化的保守性进行探究亦十分必要。
 
2019年12月12日,来自以色列魏兹曼科学研究所(WeizmannInstitute of Science)Ido Amit和德国弗莱堡大学(University ofFreiburg)Marco Prinz、Daniel ErnyCell上发表了题为Cross-Species Single-Cell Analysis RevealsDivergence of the Primate Microglia Program的研究,利用单细胞转录组测序技术分析了跨越数亿年进化历史的多种动物的小胶质细胞(microglia)在基因表达谱上的保守和分化。
 

为了从生物进化角度对小胶质细胞进行全面的特征刻画,作者分别在细胞形态、基因表达谱和细胞异质性三个层面对比分析了不同物种的小胶质细胞。
 
在细胞形态方面,以小胶质细胞特异表达蛋白作为靶标,作者对跨越长达4.5亿年进化历史的18种动物的脑组织样本进行了免疫组化染色分析,发现尽管这类细胞能够在所有被检测的动物中找到且都具有大致的树突状形态,但其在树突尺寸、胞体大小等方面却存在显著差异。同时,与基于DNA序列证据的系统发生树(phylogenetic tree)所规定的物种进化层级相符合的是,人类的小胶质细胞在精细结构上与恒河猴(macaque)和狨猴(marmoset)最为接近,而啮齿类(rodent)的小鼠、大鼠和仓鼠之间亦具有最显著的相似性。
 
在细胞形态之上,作者进而利用RNA-seq对八种具有良好基因组注释的物种进行了经由FACS分选的小胶质细胞的大体测序。基于直系同源基因(orthologue)的下游聚类分析的结果表明,在这八种进化尺度距离数亿年的物种的小胶质细胞中,存在着一组表达特征高度保守的基因,包括TGFBR2和CSF1R等,且这些基因中很多亦与非神经组织巨噬细胞广泛表达的基因群相重叠,暗示了它们对维持这一细胞类型稳态的基础性作用。此外,作者还利用基因表达差异分析对不同物种间非保守表达基因的表达程度进行了对比分析,发现与细胞形态方面的结论类似,人类的与恒河猴的小胶质细胞具有最少的显著差异表达基因。同时,在灵长类与啮齿类动物之间的比较中,作者发现前者的小胶质细胞显著富集了一组DNA修复、凋亡细胞清除和补体系统相关的基因,这些功能注释都被证实与衰老调控相关。
 
在利用RNA-seq揭示了小胶质细胞在基因表达谱上的进化动态特征之后,作者又试图利用单细胞RNA-seq探究不同物种中小胶质细胞异质性的分布状况。有趣的是,小胶质细胞在除了人类之外的其余物种中均富集于一个较为均质的大细胞群中,但在人类神经组织中则展现出了相当程度的亚分化特征。在人类特异的小胶质细胞群中,有一个数量较小的类组富集了众多炎症相关趋化因子的表达,作者认为其可能表征了具有衰老相关分泌表型(senescence-associated secretory phenotype, SASP的小胶质细胞群。
 
总之,这项研究利用多物种的单细胞转录组测序对小胶质细胞基因表达的进化特征进行了详尽的描述,揭示了一组具有高度保守性的核心基因,并发现了人类小胶质细胞具有显著更高的异质性分布的重要现象,为神经系统发育和神经退行性疾病的机制研究贡献了宝贵的资源。同时,这项研究也以小胶质细胞作为一个案例,展示了多物种对比的进化生物学思路在以单细胞测序为核心技术的研究中可能做出的重要贡献。
 
 
原文链接:
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.11.010
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