让蝾螈大脑再生的”关键群体”被锁定


让蝾螈大脑再生的”关键群体”被锁定

来源:2022-10-02

蝾螈的基因编码序列与人类极其相似。研究蝾螈脑再生的启动机制,并发现其中的关键基因,或将为人类神经系统损伤和退行性疾病的恢复提供指导。

脊椎动物的大脑是一个重要而复杂的器官,控制着动物的行为、情感和记忆。人类大脑有860亿个神经元。这些神经元彼此之间相互连接,赋予了大脑极强的创造能力。但美中不足的是,人类大脑尤为脆弱,在遭遇损伤后往往难以修复。

近日,国际学术期刊《科学》刊登了由杭州华大生命科学研究院、广东省人民医院、武汉大学等来自3个国家18家单位共同合作完成的研究成果——全球首个高分辨率蝾螈脑再生时空图谱。

该研究找到了蝾螈脑再生过程中的关键神经干细胞亚群,揭秘了蝾螈大脑自行恢复的过程,为神经系统的再生医学研究和治疗提供了新的方向。

从蝾螈脑再生憧憬人类大脑的“超能力”

创伤性脑损伤又叫颅脑创伤,是导致人类死亡和残疾的主要原因之一。在中国,每年约有10万人因创伤性脑损伤而死亡、数十万人因其而永久残疾。造成创伤性脑损伤常见的原因是跌倒、交通事故等外力因素。根据损伤程度和部位的不同,创伤性脑损伤可以分为脑震荡、脑挫裂伤等。

据悉,脑震荡会引发暂时性的失忆、意识混乱等症状,但这些症状多数可自行恢复,不会造成脑组织结构的明显损伤;而脑挫裂伤则会导致部分脑组织的坏死。

由于人脑神经元再生困难,损伤处会由胶质细胞填充并会导致邻近脑组织的萎缩。遭受脑挫裂伤后,病人可能出现意识不清、烦躁不安等症状,其平衡力或协调性也可能出现障碍,思考能力、情绪控制、肢体活动、感官能力以及记忆力都可能受到损害。通常来说,脑挫裂伤需要通过相应的医学手段进行治疗,病人自行恢复的概率很低。

与人类不同,硬骨鱼、蝾螈等低等脊椎动物具有强大的器官再生能力。其中,墨西哥钝口螈作为蝾螈的一种,不仅能再生四肢、尾巴、眼睛、皮肤以及肝脏等器官,还可以再生大脑,因此被科学家们作为重要的模式生物来研究与再生有关的问题。从另一个角度讲,相比于其他再生能力强的生物,如无脊椎动物涡虫和鱼类斑马鱼,墨西哥钝口螈的进化地位较高,脑结构与人脑也有一定相似之处,是较为理想的研究对象。

论文共同通讯作者、杭州华大生命科学研究院顾颖博士表示:“蝾螈的基因编码序列与人类极其相似。研究蝾螈脑再生的启动机制,并发现其中的关键基因,或将为人类神经系统损伤和退行性疾病的恢复提供指导。”

干细胞状态转化或成脑损伤复原关键

本次研究中,研究团队对人工培育的墨西哥钝口螈脑中的皮层区域进行机械损伤手术,并对损伤后第2、5、10、15、20、30及60天的大脑样本进行分析,完整记录了蝾螈大脑从损伤到再生修复完成的过程,构建了蝾螈脑再生的高分辨率时空图谱。

“目前,针对蝾螈脑损伤再生的研究主要集中在其端脑上。”论文第一作者、杭州华大生命科学研究院的魏小雨博士介绍道,研究团队在蝾螈端脑一侧切除了面积约0.25平方毫米的方形切口,以构建脑损伤模型。

值得注意的是,虽然蝾螈能存活10到15年,但是其并不能在整个生命周期内都进行再生。

以往的研究发现,蝾螈脑再生受到年龄因素在内的一些条件的约束。年幼的蝾螈再生速度快;年老的蝾螈再生速度慢,甚至会失去再生能力。一般认为,这与蝾螈脑中贮存的神经干细胞的数量与活力有关。

研究团队利用具备超高精度和超大视野的华大时空组学技术(Stereo-seq),绘制了墨西哥钝口螈端脑发育及损伤修复过程中单细胞水平空间转录组图谱,发现蝾螈大脑在损伤后30天内即可愈合,60天内组织结构完成再生,损伤侧与未损伤侧的细胞类型空间分布已无明显差异。

时空数据结果显示,上述伤口区域在损伤早期就出现了新的神经干细胞亚群。这群重要的细胞由损伤区域附近的其他神经干细胞亚群受到损伤刺激后转化而来,并在后续的再生过程中新生出神经元,以填补损伤部位的神经元缺失。

通过对比蝾螈脑发育和再生过程的神经元,科研人员发现再生与发育过程中的神经元高度相似。这表明,脑损伤可能诱导了蝾螈神经干细胞状态转化。

“本研究中,研究团队借助蝾螈脑发育时空图谱,观察到在蝾螈脑的发育过程中,各类神经元的分子特征以及空间分布动态变化,并发现蝾螈脑从青少年时期开始特化出具有空间区域特征的神经干细胞亚型。”顾颖解释道。这些发现表明,在发育早期,神经干细胞的种类和功能较为均一;在发育后期,不同功能的神经干细胞亚群逐渐形成,这些不同功能的神经干细胞亚群可能在再生中发挥着不同的作用。

室管膜胶质细胞可生成成熟神经元

以往研究表明,蝾螈大脑中的室管膜胶质细胞相当于哺乳动物的神经干细胞,在脑再生中发挥着重要作用。目前,在蝾螈和鱼类中只有少数室管膜胶质细胞激活和脑再生的信号通路被证实。

“相关通路对大脑发育也有调控作用,这提示大脑的再生可能与其发育有着相似之处。”魏小雨介绍说,“但这一再生过程的相关分子机制尚不明确。”

为此,研究团队需要对蝾螈脑发育及再生过程中不同时间阶段的细胞和分子功能进行更系统的表征,并解析发育及再生转录组学动态变化特征,以促进对大脑再生分子机制的理解。

“在蝾螈脑损伤后2天到15天,损伤位点附近的室管膜胶质细胞就已经在损伤刺激下被激活,转变为激活态的神经祖细胞类群。”魏小雨表示,“这一群神经祖细胞参与了细胞增殖、细胞迁移和细胞外基质重塑等过程,经过细胞分裂填充伤口缺损区域,并逐步分化为成熟的神经元。”

在蝾螈脑损伤后的15天,研究团队通过对连续多张端脑切片的分析发现,复原期间存在从激活的室管膜胶质细胞到中间祖细胞,再到未成熟神经元,直至成熟神经元的连续细胞转变过程。

这一发现进一步揭示了关键神经干细胞亚群通过细胞谱系转换,重构损伤神经元的过程。即干细胞通过增殖覆盖伤口,同时转换或分化为中间态和成熟的神经元,以重建损伤的脑组织。

“通过寻找促使神经元祖细胞激活并分化的关键基因,或可助力人类脑损伤再生治疗。”顾颖表示,“在下一研究阶段,团队会更深入研究蝾螈脑再生的具体调控因素,为再生医学基础研究贡献一份力量。”

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