专家盛赞Cell | 神仙眷侣破解海马神经再生的“前世今生”

撰文 | 王小果

评论丨杨振纲（复旦大学）

责编 | 兮

目前公认在成年哺乳动物存在可以持续产生新神经元的两个特定区域：侧脑室室下区（ SVZ）和海马齿状回颗粒下区（SGZ）， 后者区域产生的新生神经元参与学习记忆、情绪调控等【1】。成年SGZ中放射状胶质样神经祖细胞（RGL）产生新生齿状颗粒神经元和星形胶质细胞【2】。啮齿类动物海马齿状回（包括SGZ）的结构可在出生后第14天可形成【3】。关于哺乳动物的大脑中成年神经祖细胞的起源和发育过程知之甚少。一直以来缺乏实现在体可视化工具研究成体神经祖细胞的起源和发育过程。

2019年3月28日，美国宾夕法尼亚大学的宋洪军教授及夫人明国莉教授以共同通讯在 Cell 杂志上发表题为A Common Embryonic Origin of Stem Cells Drives Developmental and Adult Neurogenesis的文章【4】，解密成年海马DG区神经祖细胞的起源之谜，这对中枢神经系统海马神经再生的研究有着重大科学价值。

这对神仙眷侣先前研究发现Hopx蛋白可作为小鼠齿状回中成年RGL的标记物。因此研究人员构建海马DG区Hopx-cre::EYFP mice小鼠，在他莫昔芬的诱导下使该类细胞和其分化而成的后代细胞均会永久表达GFP报告蛋白（简称为hopx小鼠），以此实现活体追踪RGL。进一步利用免疫荧光发现90%以上的nestin（神经干细胞的特征性标志物）携带GFP报告蛋白（以下称为Hopx+Nestin+细胞），几乎所有的表达nestin但不表达Mcm2（一种细胞分裂的标记物）的细胞均携带GFP报告蛋白，这就表明海马DG区Hopx阳性RGL是构成静息状态下RGL主要成分。对hopx小鼠进行谱系追踪，发现在注射他莫昔芬后第3天90%的RGL后代细胞为静息状态，一年后仍有40%后代细胞表现为静息状态（图1），这就表明成年后海马DG区RGL可在相当一段比较长的时间内保持静息状态，并且会预留一部分再次进入细胞周期。

图1. 8周龄hopx小鼠RGL谱系随着时间的推移仍然有一部分处于静息状态

通过巧妙设计的Hopx-CreER::mTmG（对胚龄11.5的胚胎进行标记）谱系追踪实验发现海马齿状回表达Hopx的RGL来源于胚胎期海马齿状回神经上皮，并且随着发育过程的进行，可分化成未成熟颗粒神经元、成熟的颗粒神经元、星形胶质细胞（图2）

图2. 胚胎期海马DG区表达Hopx的RGL可分化成未成熟的神经元、成熟的神经元、星形胶质细胞

为了弄清楚胚胎期海马DG区表达Hopx的神经祖细胞在发育期哪阶段获得成年RGL的特性，利用Hopx-CreER::mTmG小鼠发现Hopx+Nestin+阳性神经祖细胞在出生后第3天分布于整个颗粒细胞层，出生后第3天有一部分迁移至SGZ。令人意外的是，从出生后第14天一直到成年，所有的Hopx+Nestin+阳性神经祖细胞都位于SGZ，不再迁移至其他部位（图3），这完全与侧脑室室下区（ SVZ）的神经祖细胞长距离迁移至嗅球不同。此外，出生后第3天Hopx+Nestin+阳性神经祖细胞在形态上放射状神经纤维长度增加，并且表达细胞分裂蛋白，这就说明胚胎期发育中的Hopx+神经祖细胞并不是以静息状态的模式被搁置（set-aside）在一边，而是暂时的拥有更加静默的成年RGL的特点。此外，利用转录组学技术揭示了不同发育阶段Hopx+Nestin+阳性神经祖细胞在分子特征上具有高度相似性。

 图3. 胚胎期海马DG区表达Hopx的神经祖细胞在出生后早期获得成年RGL的特性

简而言之，本文发现成年海马SGZ的神经祖细胞来源于胚胎期海马齿状回神经上皮，此后这种神经再生会一直持续。这为海马DG区神经再生再添新证据，有望解决一直存在的争议。

专家点评

杨振纲（复旦大学脑科学研究院教授，教育部“长江学者”，国家“杰青”）

宋洪军明国莉夫妇（Hongjun Song， 中文名字是宋洪军，国内许多媒体都写成了宋红军）发表了很多高端文章（有人专门给这些人起了一个让人羡慕嫉妒恨的名字：高端论文制造者）。作为他们众多崇拜者中的一员，我拜读了他们大多数的文章，包括那些仔细阅读的，没有仔细阅读的，读懂的和没有读懂的。但是，我最喜欢这篇。

高水平的文章，往往令人遐想，启人心智，回味无穷。 编辑已经介绍了这篇文章的内容，我就不再赘述了，但是有下列问题供大家思考。

1. 很早以来，虽然人们推测成体海马神经干细胞是起源于胚胎时期齿状回的神经上皮细胞（早期的神经干细胞，随后叫放射状胶质细胞），而且也在小鼠和人脑中观察到了这种现象，还有综述文章的发表，但是从来没有能够清清楚楚地显示出来。这篇文章令人信服地解决了这一难题。虽然不是概念上（理念上）的创新，但是文章质量之高，数据之详实，足以令人耳目一新。更重要的是，作者在这篇文章的基础上，还提出了一个模型：海马齿状回神经干细胞从胚胎到成年，都是一群神经干细胞，具有连续性（Continuous）。这个新模型，有自信，有创新，更有说服力。要知道，能够提出概念、模型、理念等，在生物学研究中十分重要，大家都知道那些闪烁着人类智慧光芒的概念和模型，例如：中心法则、转录调控、细胞周期、凋亡、自噬等。以前，华人能够提出新概念，新学说的不多。但是，近几年来，愈来愈多的华人学者也逐渐提出自己的学说，呈现出星星之火渐成燎原之势，令人激动。应该说，我们要善于总结，敢于提出新概念，新学说，不要怕出错。在经后的实践中，如果这些概念错了，我们再修正，再完善。没有一蹴而就的新学说，新理论。刚刚开始做研究的学生就应该有这个雄心。

2. 这篇文章从胚胎海马齿状回发育到成体海马神经发生，一路做下来，阐明了成体海马神经干细胞从哪里来的问题。这也再次验证一个观点，干细胞生物学就是发育生物学，神经干细胞生物学就是发育神经生物学的分野。研究成体神经干细胞，心中绝对不能够离开发育这个理念，不能只做体外实验。否则就可能是空中楼阁，无源之水，无本之木。例如，调控胚胎海马发育的关键通路 wnt 和 shh 信号通路，在海马成体神经发生过程中仍然十分关键。调控胚胎发育期脑室下层神经干细胞产生嗅球中间神经元的关键转录因子Gsx2/1, Dlx1/2, Sp8/9等，在出生后仍然起着关键的作用，不论是胚胎期敲除，还是出生后再后敲除这些基因，都会导致嗅球不再能够产生中间神经元。实际上，就我所知，现在很难找出一个分子，它在海马或者脑室下层的神经干细胞胚胎发育期起着很关键的作用而在出生后不起作用。凡是那些重要的分子和信号通路，在进化过程中就会被保留下来，所以是保守的。在体内研究得出的发育学规律往往比体外的更加可信。

3. 在猕猴和人脑中，虽然还没有详实的证据，但是我们猜测海马神经干细胞也应该具有连续性：他们都是一群细胞，来源于齿状回神经上皮。那么，在小鼠中，实验结果已经显示，这些神经干细胞早期可以对称性分裂，自我更新。但是，它们随后逐渐分化为更多的神经元，而导致神经干细胞数目随着年龄而减少（depleted）。那么在人脑海马齿状回的脑区中又如何呢？是不是像有人说的那样，这一群神经干细胞就可以一直分裂下去，每天产生成千上万的新生神经元呢？而且是一直到90岁？这些神经干细胞得到了永生化？（专家质疑Nat Med | 90岁高龄，大脑中还存在神经再生？神经再生又上演“神仙打架”）这些观点，从发育学角度都是超出了我们想象力。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.02.010

制版人：珂

参考文献

1. Ming, G.L., and Song, H. (2011). Adult neurogenesis in the mammalian brain:significant answers and significant questions. Neuron 70, 687–702

2. Bonaguidi, M.A., Wheeler, M.A., Shapiro, J.S., Stadel, R.P., Sun, G.J., Ming, G.L., and Song, H. (2011). In vivo clonal analysis reveals self-renewing andmultipotent adult neural stem cell characteristics. Cell 145, 1142–1155.

3. Nicola, Z., Fabel, K., and Kempermann, G. (2015). Development of the adult neurogenic niche in the hippocampus of mice. Front. Neuroanat.9, 53

4. Daniel A. Berg, Yijing Su,1Dennisse Jimenez-Cyrus，（2019）A Common Embryonic Origin of Stem Cells Drives Developmental and Adult Neurogenesis，Cell 177, 1–15

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