神经系统疾病颅骨骨髓的分子特征

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撰文

起起始始中枢神经系统（Centralnervoussystem，CNS）边界的免疫细胞与CNS驻留免疫系统之间复杂的相互作用已被广泛研究。硬脑膜通过颅骨—脑膜连接（Skull-meningesconnection，SMC）直接与相邻的颅骨骨髓相连，从而实现免疫细胞的运输，并可能促进免疫细胞从颅骨骨髓优先招募到脑膜。高通量测序技术已被广泛应用于研究小鼠脑膜免疫细胞的分子特征，但是关于颅骨骨髓及其与其他骨骼关系的功能数据和分子数据都很少。因此，目前尚不清楚颅骨骨髓细胞的表达谱是否与其他骨骼的表达谱不同，以及不同类型的骨髓对脑损伤的反应是否存在差异。近日，来自德国亥姆霍兹中心的AliErturk课题组在Cell上发表题为Distinctmolecularprofilesofskullbonemarrowinhealthandneurologicaldisorders的研究论文，对人类和小鼠不同骨髓细胞的RNA和蛋白质表达谱进行了系统全面的分析，发现颅骨骨髓具有独特的特征——主要集中在中性粒细胞相关通路和突触蛋白特征上。该研究利用易位蛋白正电子发射断层扫描（TSPO-PET）成像，发现颅骨骨髓能够反映各种神经系统疾病患者的炎症性脑反应，具有疾病特异性的空间分布。首先，为了评估颅骨细胞的特异性，研究者对小鼠的扁平骨（颅骨、肩胛骨和髂骨）、长骨、不规则骨、硬脑膜和大脑进行了单细胞转录组测序，这些样本取自未处理小鼠、假手术小鼠和大脑中动脉阻塞（Middlecerebralarteryocclusion，MCAo；模拟中风）手术小鼠，结果获得了超过10万个细胞的单细胞转录组数据，囊括50种细胞类型。同时，研究者也对人类颅骨进行了单细胞转录组测序，注释了10种细胞类型。研究者使用vDISCO组织透明化技术对小鼠全身进行成像，结果发现中风后小鼠颅骨骨髓中的总细胞数量是增加的，这表明特定细胞类型从颅骨中动员出来，而作为对损伤的反应，免疫细胞数量总体是增加的。基因表达的层次聚类显示，在未处理和假手术条件下，小鼠颅骨与肩胛骨转录组是相似的，但是在中风条件下，颅骨对脑损伤有着特异性的免疫反应。进一步地，通过对小鼠任意2种骨骼进行差异表达分析和受体—配体对分析，研究者发现颅骨有着数量最多的上调差异表达基因（主要集中在中性粒细胞）和受体—配体对，这些基因与迁移、炎症相关，这种独特的分子特征可能是细胞从颅骨骨髓募集到大脑的基础。另外，研究者发现病理学特征改变了骨骼的转录组，而且颅骨独特的分子特征和脑膜最为相像。此外，研究者还使用了质谱蛋白质组学研究了小鼠骨骼、脑膜和大脑中的蛋白质组谱，并且使用加权相关网络分析（WGCNA）确定了3个具有颅骨特异性差异的模块。其中，模块2（功能主要涉及中性粒细胞脱颗粒、免疫和mRNA加工）显示大脑、颅骨和脑膜中的表达减少，这证实了中性粒细胞是颅骨和其他骨骼之间差异的主要来源。同时，研究者也对人类颅骨、椎骨和骨盆进行了蛋白质组分析，发现颅骨中特有的蛋白质数量最多（种），其中27个蛋白和颅骨特异性突触和突触信号传导有关，包括SYP、SYN3、SNAP25和SLC17A7等（如图1所示）。而且，小鼠蛋白质组在颅骨中的Syp和Snap25蛋白也呈现阳性趋势。这表明与其他骨骼相比，颅骨可能更多地参与基于神经肽或神经递质的通信，颅骨骨髓的神经支配更密集或更活跃，这也可能反映了大脑的免疫监视，导致肽从大脑运输到颅骨。研究者在人类单细胞转录组数据中检测到6个突触相关基因，它们的表达主要集中在成纤维细胞中，因此可以推测，免疫细胞不是突触相关基因表达的来源。使用WGCNA并且结合单细胞转录组数据，研究者在人类蛋白质组数据中发现了一个在颅骨中下调的模块，该模块与中性粒细胞脱粒和mRNA处理相关，这一结果和小鼠是一致的。因此可以确定，人类颅骨在转录组和蛋白质组方面都不同于其他人类骨骼。图1.与突触相关的蛋白质的表达水平在超过一半的颅骨中被特异地检测到接下来，研究者对人类颅骨和硬脑膜样本进行了SMC的表征，和解剖学观察一致的是，人类SMC横穿硬脑膜，通向下方的硬脑膜下空间，形成蛛网膜颗粒。研究者通过免疫荧光染色、扫描电子显微镜检查等方法，发现SMC腔内衬有一层成纤维细胞——已知的抗原呈递细胞（如图2所示）——可能会在SMC发生时增强脑脊液募集细胞，同时还发现SMC充满了脂肪/脂质，SMC内部还有免疫细胞。这些发现表明，人类SMC与小鼠不同，前者可能充满脂肪，从而有利用免疫细胞运输，同时作为造血干细胞的能量来源。图2.人类SMC的免疫荧光染色结果证实了SMC中存在一层成纤维细胞层易位蛋白（Translocatorprotein，TSPO）是一种在神经炎症过程中大脑显著上调的蛋白质，可用作正电子发射断层扫描（Positronemissiontomography，PET）生物标志物。PET成像可以测量颅骨特异性TSPO-PET信号。通过对TSPO-PET信号的测定，研究者发现，与健康对照相比，阿尔茨海默症（Alzheimer’sdisease，AD）连续体患者的额叶、顶叶和运动皮质附近颅骨区域的TSPO-PET信号明显增加（如图3所示），同时还发现TSPO-PET信号和AD患者性别有关（女性信号高于男性），但是和AD严重程度、AD特定临床阶段无关，这表明颅骨炎症发生在AD连续体的所有阶段。而且，在不同病理条件下的患者中都观察到颅骨炎症升高，这表明颅骨TSPO-PET成像可以揭示炎症、缺血和退行性中枢神经系统疾病的不同信号模式。图3.TSPO-PET信号可以表征炎症、缺血和退行性中枢神经系统疾病的不同信号模式通过对中风和AD患者进行纵向分析，研究者发现健康对照颅骨的TSPO-PET信号随着时间没有发生变化，但是AD患者颅骨的信号增加11%（从基线到第18个月）、中风患者的信号下降17%（从基线到第3个月）。AD患者的信号增加主要出现在与AD病理学高度相关的区域，但是在在中风患者中没有发现信号的特定区域偏好。这些结果表明颅骨对AD的脑部炎症有反应，并且可以作为监测人类神经炎症的指标。总之，该研究表明不论是人类还是小鼠，体内不同的骨骼具有不同的分子特征，更为重要的是，颅骨对神经病理学的反应与其他骨骼不同。颅骨独特的分子特征、和功能相关的解剖结构，在未来可能有助于诊断、监测和治疗各种脑部病理学的炎症。原文链接：