作为中枢神经系统（Central Nervous System，CNS）的固有免疫细胞，小胶质细胞（Microglia）在健康CNS中发挥着重要的免疫、监测和保护作用。有证据表明，小胶质细胞来源于卵黄囊组织中的红髓系前体细胞，它们迁移、定植、分化，并在大脑中成熟，最终达到稳定状态，维持中枢神经系统环境的免疫平衡。与成年成熟的小胶质细胞相比，胚胎期小胶质细胞表现出很大的异质性，并参与各种生理活动的调节。中枢神经系统由脑和脊髓组成，脑主要区域包含大脑皮层、间脑、中脑和小脑。但是，起源于卵黄囊组织中红髓系前体细胞的小胶质细胞在四个脑区的发育路径和不同状态转换，以及它们的相关功能特征尚不清楚。
近年来，快速发展的单细胞组学技术，为理解细胞命运决定和细胞异质性提供了强有力的工具。之前对小鼠的单细胞测序研究结果显示，小胶质细胞具有高度异质性。然而，人类和小鼠之间的物种差异极大地限制了我们对人类小胶质细胞分化和发育功能的理解，尤其是在早期胚胎发育期间。此外，迄今为止，人类单细胞测序研究仅研究了小胶质细胞的早期起源，从卵黄囊到大脑进入前，或整个CNS中小胶质细胞的发育，对于人脑早期发育过程中小胶质细胞的区域特化命运决定和状态转换并不清楚。
2022年3月3日，中国科学院动物研究所焦建伟研究组、北京大学杜鹏研究组、中国科学院动物研究所王雁玲研究组、北京大学靳蕾研究组合作在Cell Stem Cell 杂志在线发表了题为Decoding the Temporal and Regional Specification of Microglia in the Developing Human Brain的研究论文。该研究首次解析了人脑发育中不同区域的小胶质细胞单细胞转录组，精准揭示了发育中人脑小胶质细胞区域特化和状态转换的时空动力学特征，并通过比较小鼠和人类皮层小胶质细胞转录组差异，评估了这两个物种之间状态转换的保守性和分子差异性。
利用10x Genomics单细胞测序技术，作者绘制了来自人类胚胎，包括Carnegie Stage (CS)12卵黄囊和头部组织以及脑的不同解剖位置，包括大脑、间脑、中脑、小脑在多个孕周（gastrulation week，GW）（GW8、GW10、GW12、GW16和GW23）的单细胞转录组图谱。在进行质量控制和生物信息学聚类分析后，作者选择CD45+CD33+髓系细胞（共12565个细胞）进行分析。基于已知标记基因，该项研究识别了20个小胶质细胞亚群，并揭示上述群体的发育动力学特征。同时，根据基因表达特征将这些亚群分成了起源、增殖、免疫应答和神经元基因富集相关四大类。为了可视化和重塑来自CS12同一群原始髓系前体细胞的神经元基因富集小胶质细胞和免疫相关小胶质细胞的细胞命运决定轨迹，作者使用Monocle2和URD进行伪时间分析。有趣的是，两种分析方法均显示出类似的结果：源自CS12卵黄囊和头部的小胶质祖细胞首先启动细胞增殖，在不同的细胞周期阶段成为增殖的小胶质细胞，然后这些增殖的小胶质细胞向两种不同的细胞命运过渡：免疫或神经元基因富集特征。对于免疫相关的发育分枝，小胶质细胞通过一个共同的中间阶段，最终在GW23达到区域特化。然而，具有不同区域特征的神经元基因富集小胶质细胞可以直接从循环小胶质细胞而来。这是首次揭示了人胚胎脑神经元基因富集的小胶质细胞命运分枝。在这项研究中，作者鉴定出7群富含神经元基因的小胶质细胞，发现均瞬时出现在包括大脑、间脑、中脑和小脑的四个不同区域，且早在GW8（CNS区域形成的时期）时就在早期脑发育的不同阶段出现。稳态指小胶质细胞的一种静息状态，脱离静息状态会导致多种免疫应答反应的激活。在此，作者分析了胎儿小胶质细胞的区域特异性和状态转换之间的潜在联系。此研究首次提出免疫相关小胶质细胞的区域特化会伴随小胶质细胞静息状态的退出。接下来，作者进一步探究了GW23区域特化胎儿小胶质细胞的不同免疫激活状态。上述研究结果概述了具有区域特异性的免疫相关小胶质细胞的胎儿激活的独特特征，这与之前报道的所有成人成熟小胶质细胞明显不同。进一步，作者比较了人类和小鼠的小胶质细胞静息状态转变发现胎儿小胶质细胞的动态静息/活动状态转换在人类和小鼠中是保守的。将人鼠小胶质细胞拟合后，作者发现大多数其他细胞类型可以合并在一起，表明人类和小鼠的几种细胞类型和发育途径是保守的。此外，通过分析差异表达基因，发现人和小鼠小胶质细胞的分子特征存在一些差异。
综上所述，这项研究揭示了人类胚胎小胶质细胞从卵黄囊到脑不同区域的整体发育路径、区域异质性、胎儿小胶质细胞状态转变的独特特征，以及早期大脑发育期间状态转变和区域特异性之间的密切联系，这些发现将为研究小胶质细胞正常功能及相关疾病机理研究提供重要的理论基础。
焦建伟、杜鹏、王雁玲和靳蕾为该论文的共同通讯作者。博士后李妍昕、博士后李忠秋、博士研究生杨敏、博士后王飞扬、张玥红主任医师、李蓉主任医师为该论文的共同第一作者。滕兆乾研究团队参与了项目协作。该研究获得了国家科技部、国家自然科学基金委、中国科学院先导等项目的资助。
探索小胶质细胞发育规律
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.stem.2022.02.004
