Cell Stem Cell | 多运动有助于神经发生

撰文 | Gladiator

成年哺乳动物海马（Hippocampus）的齿状回（Dentate gyrus, DG）是一种独特的结构，也是成年大脑中产生新的脑细胞区域之一，维持主要神经元颗粒细胞的成年神经发生【1，2】。多能神经前体细胞(NPCs)具有复杂的径向胶质形态(称为径向胶质样[RGL]或1型细胞)排列在DG的亚颗粒区，可零星地从静息状态过渡到增殖状态。成年海马体神经发生具有对生理刺激做出不同调节反应的特征。尽管目前已经有研究报道了一些相关的通路，但是目前尚不清楚是否存在NPC亚类，以及它们的功能状态是否与它们对环境刺激的反应有关【3,4】。

细胞的氧化还原状态，或细胞的“氧化应激”，通常是通过活性氧(ROS)和活性氮(RNS)的产生和清除之间的平衡来维持的【5】。细胞氧化还原状态调节干细胞维持和激活之间的平衡。细胞内活性氧(ROS)水平的增加与细胞增殖和谱系特化有关。此外，细胞内ROS的绝对含量及其相对变化可以调节各种氧化还原感受器的丰度，并可以作为整合环境信号和细胞自主信号的次要信使【6】。

近日，德国德累斯顿神经退行性疾病中心研究团队Gerd Kempermann在Cell Stem Cell上发表题为ROS Dynamics Delineate Functional States of Hippocampal Neural Stem Cells and Link to Their Activity-Dependent Exit from Quiescence的文章。该研究表明，成年海马区静息期干细胞具有非常高的活性氧(ROS)水平。体力活动触发Nox2依赖性增加以及细胞内ROS连续减少，从而招募干细胞进入细胞周期，增加海马神经发生。

该研究团队前期工作表明连续四晚的转轮接触会导致DG中增殖细胞的数量增加。研究人员首先通过研究持续时间较短的几次机体活动来研究这种激活之前的变化特征。研究发现，至少需要3个晚上的机体活动才能产生显著的促增殖反应（以胸腺嘧啶核苷类似物BrdU测量）（图1）。研究人员进一步应用了双重胸腺嘧啶核苷类似物(CldU，IDU)标记确定DG细胞增殖的主要驱动因素，实验结果表明机体体力活动刺激一群静息但可激活的神经原细胞进入增殖，而不影响其存活和在神经原阶段的分布（图1）。

图1 机体活动体力活动招募不分裂的、可激活的干细胞进行增殖

DG和脑室下区(SVZ)的NPCs在几个方面不同，包括它们对生理刺激激活的敏感性。基于前期研究SVZ细胞对运动没有神经源性反应，本研究采用主成分分析(PCA) 、GO分析和游离细胞染色等实验手段比较了DG和SVZ的来源的NPCs差异基因表达以及ROS水平，研究结果显示两者间存在上千个差异表达的基因，并且富集的GO也显著不同，同时，SVZ细胞的总ROS水平明显高于DG细胞。进一步解决活性氧含量与NS形成潜力之间的相关性，研究人员根据ROS梯度（Non，hiROS，midROS和loROS）描述了成年海马神经发生过程中的细胞类型，研究结果表明与周围的其他DG细胞相比，DG的NPC保持了较高的细胞ROS含量；根据ROS含量将DG和SVZ的前体细胞分解成不同的功能类别，在体外具有不同的干化潜能；此外，与SVZ相比，NES-GFP+HiROS群体在DG中大量富集。除了氧化还原调控是区分SVZ和DG小环境中成年NPCs的关键因素外，本研究还描述了成年DG中NPCs功能亚群中细胞ROS的差异富集，以及其在调节细胞状态转变中的出人意料的特异性（图3）。

图3 根据细胞内ROS含量可将Nes-GFP+细胞分为不同的功能亚群

为了进一步阐明这种异质性，本文研究了已知可标记细胞进程，如神经发生、细胞周期等的转录本的表达，随着细胞内ROS含量的降低，对维持细胞功能至关重要的转录本的表达会出现下降，而活跃细胞周期和神经源性分化的标记物会增加（图4）。一些RGL标志物在不同ROS水平的细胞中表达也存在差异。为证实ROS类确实代表了从静止到神经元活动的变化轨迹，研究人员不仅利用前期其他研究人员关于NES-CFPnuc细胞的单细胞转录数据，沿着假时间轨迹研究了它们的特征转录本的表达。同时分析不同ROS水平下多个转录因子的变化（图4E，F）。hiROS和midROS以及midROS和loROS两组间对比，细胞内ROS含量显著下降。然而，这种“活性氧下降”与已知的标志着进入静止状态的关键基因(如Hopx)的变化并不一致（图3M）。为了将细胞ROS含量的变化与细胞状态的转变进行比对，研究人员将本次的结果与Berg等人(2019)对成年Hopx+细胞的转录组分析进行了比较。此外，还单独比较了hiROS和midROS的表达谱特征。研究结果表明细胞ROS水平的变化显示出其不同的功能状态。

图4 ROS水平沿神经组织变化轨迹下降

在骨髓细胞、心肌细胞或诱导的多能干细胞中，较低的ROS含量通常标志着细胞处于处于静息期或自我更新，而更高的氧化状态标志着细胞具有更高的增殖率和谱系分化。由于Nestin在DG NPCs中有广泛的表达，研究人员结合其他报告基因系和标记物来分析成年DG的RGL细胞、IPCs、NBs和小胶质细胞，用以确认与1型或RGL细胞相对应静息hiROS细胞。通过对putative RGL细胞 (Gfap-GFP+EGF+)与Nes-GFP+比较研究及聚类分析研究表明细胞ROS水平最低的Dcx-GFP+细胞为晚期NBs(3型细胞)或有丝分裂后未成熟神经元。进一步通过EdU标记增值细胞及组织特异性分析证明，从增殖到静息的转变伴随着细胞ROS水平的显著增加，hiROS的NPC是处于静息状态的。

由于已经确定HiRos细胞对应于静止的NPC，并且ROS水平的下降早于脱离静息期。为进一步解释急性机体活动将静止的细胞重新招募到增殖状态这儿一现象，研究人员首先让NES-GFP报告小鼠接受两种体力活动训练，分析对应条件下NPC-ROS特征，实验结果表明机体体力活动会导致NES-GFP+细胞中的ROS波动。线粒体呼吸是细胞ROS的主要来源，线粒体成熟与神经发生发育阶段的增殖和进展密切相关，但是基于线粒体的研究表明剧烈运动后ROS的激增并非线粒体来源。因此，研究人员对细胞内活性氧的另一个主要来源是NOx酶复合体开展了研究。首先分析了不同ROS类别的NES-GFP+细胞中NOx亚型的转录表达，进一步为了研究NOX2介导的ROS波动的下游效应，对已建立的下游靶标PTEN及对WT和Nox2突变体的DG中Ki67+细胞的增殖量化表明，尽管Nox2不是增殖所必需的，但它对于身体活动的促增殖反应是必不可少的。为确定Nox2活性的细胞特异性以及Nox2依赖的ROS动态在细胞周期进入中的作用，研究人员通过体外NPC单层细胞培养实验的结果进一步证实了体内的发现，尽管NOX2活性不是维持细胞处于恒定的基线增殖状态所必需的，但细胞自主的依赖于NOX2的ROS动力学促进了成年海马神经干细胞脱离静息状态（图6）。

图6 Nes-GFP+细胞的hi-ROS部分中nox2介导的ROS波动对活动介导的前体激活至关重要

综上所述，本研究表明在成年小鼠的海马体中，静息期的神经前体细胞(NPCs)维持最高的ROS水平(hiROS)。根据细胞ROS含量对NPC进行分类，可以识别出不同的功能状态。ROS含量的变化为细胞随后的状态转变做好了准备，较低的ROS含量标志着增殖活性和分化。机体活动是成年海马神经发生的生理性激活因子，通过瞬时的nox2依赖的ROS激增，招募hiROS NPCs增殖。无Nox2时，本底水平神经发生未受影响，但活性诱导的增殖增加消失。这些结果提供了NPC功能状态的代谢层面的分类，并描述了通过行为线索调节细胞ROS与成年NPC激活的机制。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.10.019
排版人:SY
 

参考文献

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1.      Wang C, Yue H, Hu Z, Shen Y, Ma J, Li J, Wang XD, Wang L, Sun B, Shi P, Wang L, Gu Y. Microglia mediate forgetting via complement-dependent synaptic elimination. Science. 2020 Feb 7;367(6478):688-694.

2.      Akers KG, Martinez-Canabal A, Restivo L, Yiu AP, De Cristofaro A, Hsiang HL, Wheeler AL, Guskjolen A, Niibori Y, Shoji H, Ohira K, Richards BA, Miyakawa T, Josselyn SA, Frankland PW. Hippocampal neurogenesis regulates forgetting during adulthood and infancy. Science. 2014 May 9;344(6184):598-602.

3.      Jang MH, Bonaguidi MA, Kitabatake Y, Sun J, Song J, Kang E, Jun H, Zhong C, Su Y, Guo JU, Wang MX, Sailor KA, Kim JY, Gao Y, Christian KM, Ming GL, Song H. Secreted frizzled-related protein 3 regulates activity-dependent adult hippocampal neurogenesis. Cell Stem Cell. 2013 Feb 7;12(2):215-23.

4.      Klempin F, Beis D, Mosienko V, Kempermann G, Bader M, Alenina N. Serotonin is required for exercise-induced adult hippocampal neurogenesis. J Neurosci. 2013 May 8;33(19):8270-5.

5.      Armstrong L, Tilgner K, Saretzki G, Atkinson SP, Stojkovic M, Moreno R, Przyborski S, Lako M. Human induced pluripotent stem cell lines show stress defense mechanisms and mitochondrial regulation similar to those of human embryonic stem cells.

6.      Phaniendra A, Jestadi DB, Periyasamy L. Free radicals: properties, sources, targets, and their implication in various diseases. Indian J Clin Biochem. 2015 Jan;30(1):11-26.