小胶质细胞发育三部曲丨温子龙组4年3篇Dev Cell阐明小胶质细胞起源与发育

责编丨迦溆

一个成年人的脑部大约有860亿个神经元，然而神经元只占所有脑部细胞的10%，剩下的90%是起支持作用的神经胶质细胞。其中，神经胶质细胞中的小胶质细胞（microglia）是中枢神经系统的组织特异性巨噬细胞，作为中枢神经系统中最主要的免疫细胞，它们主要的功能是清除坏死的细胞、组织和入侵的病原，维持中枢神经系统的稳态。除此之外，近年来越来越多的研究表明小胶质细胞在神经细胞的发育和功能上有着重要的作用：它们不仅能修剪神经突触，调控神经环路【4，6】，还直接参与了阿尔兹海默症等多种神经退行性疾病的疾病发展 【5】。

虽然中枢神经系统中其他的神经胶质细胞都由神经外胚层发育而来，但小胶质细胞却是由外周的造血组织分化而成，它们在胚胎发育早期迁移到中枢神经系统，进一步特化成为小胶质细胞 【7】。进入中枢神经系统之后，由于血脑屏障造成的相对封闭的脑部环境，小胶质细胞群在成体稳态下进行自我增殖与分化，极少需要来自骨髓造血的补充与更新【1】。因此，早期小胶质细胞的起源及迁移过程对于小胶质细胞群体的建立乃至神经发育和神经系统稳态有着至关重要的意义。

在小鼠等常见的胎生哺乳动物模型中，幼体早期发育都在子宫内部完成，阻碍了研究人员对于小胶质细胞的迁移过程及其机理的进一步探究。香港科技大学生命科学部温子龙课题组利用斑马鱼模型体外发育、胚胎透明、有利于细胞成像与追踪的优势，系统性地研究了小胶质细胞从起源到迁移过程中的一系列发育调控，回答了小胶质细胞前体“我是谁？我从哪儿来？我要到哪儿去？”的系列难题。

温子龙课题组发表的三篇Dev Cell论文

2015年，温子龙教授与香港科技大学电子与计算机工程系的瞿佳男教授合作, 在Developmental Cell上发表了题为Temporal-Spatial Resolution Fate Mapping Reveals Distinct Origins for Embryonic and Adult Microglia in Zebrafish的研究论文，揭示了小胶质细胞在斑马鱼中有两种起源。之前在小鼠中的理论认为小胶质细胞来自于原始造血单一起源，但小鼠实验中采用的传统Cre-LoxP细胞谱系追踪方法无法在空间上提供精确的标记。在该论文中，研究人员自主开发了基于激光热诱导技术的高时空解析度的细胞谱系追踪系统，证明了成体斑马鱼的小胶质细胞来源于次级造血，从而补充更正了之前被普遍接受的小胶质细胞“原始造血单一起源”理论（图1）。

图1. 利用激光实现高精度永久性标记小胶质细胞前体并追踪其命运。左：利用远红外激光局部加热细胞，从而诱导热激蛋白启动子驱动的CreER表达。通过加入4-OHT来诱导CreER入核并切割loxp位点实现细胞标记。右：追踪结果显示小胶质细胞具有双重起源且其基因调控并不相同。

2016年，温子龙教授发表在Developmental Cell上的Microglia Colonization of Developing Zebrafish Midbrain Is Promoted by Apoptotic Neuron and Lysophosphatidylcholine 研究论文阐明了神经发育过程中自然发生的细胞凋亡是诱导小胶质细胞进入中脑的主要原因，并揭示了溶血磷脂胆碱（LPC）是这一过程中重要的趋化因子（图2）。

2018年9月10日，温子龙教授联合华南理工大学基础医学院的张文清教授等在Developmental Cell上发表了题为Il34-Csf1r Pathway Regulates the Migration and Colonization of Microglial Precursors的研究论文，进一步阐释了小胶质细胞前体首先由Il34-Csf1r信号通路诱导迁移到头部，再在Il34-Csf1r信号和神经细胞凋亡信号的双重调控下进入中枢神经系统的各个区域。

研究人员首先发现，当神经系统发育早期的细胞凋亡受到抑制时，尽管最终成功迁移到斑马鱼胚胎脑部的小胶质细胞显著地减少了，但早期小胶质细胞前体向头部的迁移没有受到影响。这说明神经凋亡的信号只在小胶质细胞后期向脑部的迁移中起作用，而早期向头部的迁移是不依赖于神经细胞凋亡的信号的。

之前有研究发现在斑马鱼突变体csf1ra -/-（colony-stimulating factor 1 receptor a, csf1ra）中小胶质细胞发育有缺陷。在本篇论文中，研究人员进一步发现这个缺陷可能是由于小胶质细胞前体的迁移受到了影响。在csf1ra突变体斑马鱼中，早期原始造血产生的巨噬细胞（小胶质细胞和外周巨噬细胞的共同前体）可以正常迁移到外周组织，如尾部静脉丛等（posterior blood island，PBI），但无法迁移到头部。csf1r信号通路是一个在进化上保守的，调控巨噬细胞发育的的重要通路，影响了巨噬细胞发育的多个方面。

为了进一步研究其在迁移中的作用，研究人员把目光转向了csf1r的几个配体（csf1a, csf1b和il34），希望能找到与小胶质细胞迁移相关的配体。首先，研究人员发现在三个配体中il34在早期脑部表达量最高。随后，研究人员分别把三个配体的基因敲除，获得了csf1a, csf1b, il34三个突变体品系。在il34突变体中，中枢神经系统的小胶质细胞数目显著减少了，而追踪巨噬细胞的实时成像显示这一表型是由于早期小胶质细胞前体向头部的迁移减少了。以上结果表明脑部释放的il34配体诱导了小胶质细胞前体的早期迁移。与这个结论相对应的是，当在神经细胞中过量表达这三种配体时，只有il34的过量表达能够显著增加脑部的小胶质细胞数目。

因此，外周造血产生的小胶质细胞前体首先在il34-csf1ra信号通路的诱导下迁移到头部附近。接着，中枢神经系统各个区域的特异性神经凋亡动态和il34水平共同调控小胶质细胞在不同区域的分布。有趣的是，这两个信号通路既互相独立，又互相补充：神经凋亡信号对于小胶质细胞往中脑的视顶盖（the optic tectum）的迁移最关键，而il34-csf1ra通路对于小胶质细胞往中枢神经系统的其他部分，如前脑和视网膜等区域的迁移更重要（图3）。该论文系统研究了小胶质细胞早期迁移的机理，揭示了il34-csf1ra和神经细胞凋亡对于这一迁移过程的双重调控，对于我们理解小胶质细胞的发育有着重要的意义。

图3. Il34-Csf1r和神经细胞凋亡信号的双重调控小胶质细胞迁移进入中枢神经系统

小胶质细胞前体首先由Il34-Csf1r信号通路诱导迁移到头部，再在Il34-Csf1r信号和神经细胞凋亡信号的双重调控下进入中枢神经系统的各个区域。

据悉，Developmental Cell 2015和2016论文的第一作者徐进博士，现为华南理工大学医学院发育生物学与再生医学团队全职教授，致力于利用斑马鱼模型研究免疫系统对于组织发育与再生的作用。另外，香港科技大学朱璐博士和王铁男博士分别是Developmental Cell 2015和2016年论文的共同第一作者。Developmental Cell 2018论文的第一作者是吴淑婷，现为香港科技大学在读博士生。

参考文献：

1. Ajami, B., Bennett, J.L., Krieger, C., Tetzlaff, W., and Rossi, F.M.V. (2007). Local self-renewal can sustain CNS microglia maintenance and function throughout adult life. Nat Neurosci 10, 1538–1543.

Ginhoux, F., Greter, M., Leboeuf, M., Nandi, S., See, P., Gokhan, S., Mehler, 

2. M.F., Conway, S.J., Ng, L.G., Stanley, E.R., et al. (2010). Fate mapping analysis reveals that adult microglia derive from primitive macrophages. Science 330, 841–845.

3. Herbomel, P., Thisse, B., and Thisse, C. (2001). Zebrafish early macrophages colonize cephalic mesenchyme and developing brain, retina, and epidermis through a M-CSF receptor-dependent invasive process. Developmental Biology 238, 274–288.

4. Li, Y., Du, X.-F., Liu, C.-S., Wen, Z.-L., & Du, J.-L. (2012). Reciprocal regulation between resting microglial dynamics and neuronal activity in vivo. Developmental Cell, 23(6), 1189–1202.

5. Mass, E., Jacome-Galarza, C.E., Blank, T., Lazarov, T., Durham, B.H., Ozkaya, N., Pastore, A., Schwabenland, M., Chung, Y.R., Rosenblum, M.K., et al. (2017). A somatic mutation in erythro-myeloid progenitors causes neurodegenerative disease. Nature 549, 389–393.

6. Paolicelli, R.C., Bolasco, G., Pagani, F., Maggi, L., Scianni, M., Panzanelli, P., Giustetto, M., Ferreira, T.A., Guiducci, E., Dumas, L., et al. (2011). Synaptic Pruning by Microglia Is Necessary for Normal Brain Development. Science 333, 1456–1458.

7. Ginhoux, F., Greter, M., Leboeuf, M., Nandi, S., See, P., Gokhan, S., ... & Samokhvalov, I. M. (2010). Fate mapping analysis reveals that adult microglia derive from primitive macrophages. Science, 1194637.

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