成體神經幹細胞可通過TNF-α信號傳導途徑響應全身炎症

可逆的靜止狀態是組織特異性幹細胞（stem cells, SCs）的一個特徵，許多成年細胞龕位含有處於兩種激活狀態的SCs。雖然循環的SCs似乎負責生理細胞更新，但非循環的靜態SC貢獻仍不清楚。有研究報導，對肌肉的機械損傷不僅會導致其衛星SCs的局部激活，而且還會導致遠處肌肉中的SCs轉變為始發態，這些瞬態稱為Galert【1】。這些SCs通過進入警報或啟動狀態來響應來自遠處受傷組織信號的能力表明其感知機體環境的能力。雖然大腦與血液循環相對隔離，但可以通過血腦屏障和周圍細胞因子誘導的小膠質細胞活化，對外周損傷的固有免疫激活被有效地轉導為神經炎症【2】。然而，人們普遍認為炎症對哺乳動物的神經發生有害，尚未研究驗證對哺乳動物神經幹細胞（NSCs）狀態的直接作用。

2020年11月17日，來自西班牙瓦倫西亞大學的Jose Manuel Morante-Redolat 課題組和Isabel Farias課題組在Cell Stem Cell雜誌上發表了一篇題為 「Adult Neural Stem Cells Are Alerted by Systemic Inflammation through TNF-a Receptor Signaling」的文章，在這項研究中，作者開發了一種多級策略分析NSCs的不同狀態，以鑑定調節其靜止或激活水平的信號，同時確認了促進NSCs「警覺性」的信號傳導途徑，從而建立了一個新概念，即SCs可以對系統環境作出響應。

首先，作者開發一種不依賴於報告工具小鼠的流式細胞策略，將室管膜下區（subependymal zone, SEZ）譜系分離為九個類別（見下圖1），緊接著完成轉錄組測序以進行下一步的分析。作者使用DNA烷基化藥物TMZ消除了大多數增殖細胞如活化的NSCs（activated NSCs, aNSCs），而靜止NSCs（quiescent NSCs, qNSCs）和始發態NSCs（primed NSCs, pNSCs）的數量未受影響，通過EdU和Hoechst標記顯示qNSCs和pNSCs處於G0至G1期，但兩者在細胞周期相關基因的轉錄方面有所不同，且pNSCs具有增加的細胞體積和線粒體含量，提示pNSCs雖然處於靜止狀態，但仍易於激活，因此作者決定接下來在體外對其進行功能性研究。在體外神經球（Neurosphere）培養中作者發現，aNSCs和神經祖細胞（neural progenitor cells, NPC）均可形成神經球，NPC衍生的神經球顯示出降低的增殖能力；qNSCs不參與細胞周期且無法存活超過48小時。相比之下，pNSCs雖然在最初的24小時內沒有分裂，但隨後可以以較慢的速度形成可以亞克隆多代的神經球。

圖1，用於分析SEC的FACS流水線示意圖

為了獲取對NSCs狀態調節的新見解，作者通過GO分析並揭示了靜態細胞中與「炎症」相關類別的富集，甚至962個炎症GO子類別中有一半特定與qNSCs以及pNSCs相關，這些數據提示炎症在SEZ中可能發揮複雜作用。為此，作者首先對腹膜內注射革蘭氏陰性細菌產物脂多糖（LPS）的小鼠中不同SEZ種群特徵的許多基因表達進行定量檢測。與先前關於炎症對神經發生的負面影響的報導一致，許多基因發生下調。值得注意的是，NSC相關基因表達發生顯著地瞬時增加（Gfap，Prom1，Cdkn1a，Id1或Fgfr3），且儘管LPS處理的小鼠增殖的SEZ細胞比例降低，但仍能產生更多的初級神經球，提示炎症反應可能有助於NSCs的有效活化。

LPS處理可引起全身性炎症反應，且在上述GO分析中「TNF-α信號傳導」是qNSCs和aNSCs間表達差異最明顯的細胞因子途徑，因此，作者想知道TNF-α是否可能在調節靜止或激活平衡重發揮潛在作用？為此，作者決定首先通過監測在不同濃度的細胞因子存在下神經球的生長來測試TNF-α的作用，以及在不存在細胞因子的情況下進行繼代培養時這些神經球產生次級克隆的能力。TNF-α以濃度依賴性的方式刺激或抑制神經球的形成，但是當以任何濃度的TNF-α生長的神經球被解離並鋪在不含TNF-α的有絲分裂原中時，它們都會形成越來越大的次級球，這提示細胞因子可以促進自我更新分裂。

那麼，TNF-α是通過何種方式介導對NSCs的多效性作用呢？先前已報導TNF-α可以與兩個單程跨膜受體TNFR1（也稱為p55或TNFRSF1A）和TNFR2（也稱為p75或TNFRSF1B）相互作用【3】。TNF-α處理Tnfrsf1atm1Imx或Tnfrsf1btm1lmx突變小鼠的神經球的實驗表明，TNFR1的激活是細胞因子的細胞抑制作用的原因，而其對自我更新的影響只有在沒有TNFR2的情況下才能消除。與此結果一致的是，用特異性TNFR2激動劑抗體處理可增加對稱分裂和多能性，這些數據表明TNF-α通過TNFR2促進自我更新活化，並通過TNFR1促進細胞停滯。為了評估這些受體的功能相關性，作者用特異性激動劑處理了FACS分選的pNSCs和aNSCs。儘管TNFR2的刺激誘導了aNSCs形成的神經球的適度增加，但它卻使pNSCs產生的神經球的數量顯著增加了2.5到3倍。相反， TNFR1激動劑減少了pNSCs的活化，而對aNSCs沒有任何影響，這些數據提示pNSCs是TNF-α的潛在靶標。

總的來說，這項研究強調了NSCs可能感知並響應與循環中可檢測到的內毒素水平相關的各種情況，並揭示了TNF-α在調節NSCs進入和退出靜止狀態中的雙重作用。類似於成年斑馬魚大腦中的神經幹細胞在受傷時被激活，炎症誘導的趨化因子的產生有助於它們啟動再生神經發生【4】，顯示出一種古老的生物應對損傷的響應機制。

原文連結

https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.10.016

參考文獻

1, Rodgers,J.T., King, K.Y., Brett, J.O., Cromie, M.J., Charville, G.W., Maguire, K.K.,Brunson, C., Mastey, N., Liu, L., Tsai, C.R., et al. (2014). mTORC1 controlsthe adaptive transition of quiescent stem cells from G0 to G(Alert). Nature510, 393–396.

2, Banks, W.A.(2015). The blood-brain barrier in neuroimmunology: tales of separation andassimilation. Brain Behav. Immun. 44, 1–8.

3, Dostert, C., Grusdat, M., Letellier, E., and Brenner,D. (2019). The TNF family of ligands and receptors: communication modules inthe immune system and beyond. Physiol. Rev. 99, 115–160.

4, Kyritsis, N., Kizil, C., Zocher, S., Kroehne, V.,Kaslin, J., Freudenreich, D., Iltzsche, A., and Brand, M. (2012). Acuteinflammation initiates the regenerative response in the adult zebrafish brain.Science 338, 1353–1356.