专家点评Nature亮点 | 刘冲团队揭示嗅觉感知调控胶质瘤发生
点评 | 段树民（中国科学院院士）、卞修武（中国科学院院士）
动物时刻都会受到来自周围环境的各种感官刺激，例如气味、声音、光线及对外物的触碰等。这些感觉信息的输入对于动物寻找食物和躲避捕食者等原始需求至关重要。相对于动物而言，我们人类接触到的感观刺激可能更为丰富。特别的是，相比于数十年前，人类现在更多的通过手机、电脑、网络等丰富感官感受。这些多样化的感觉刺激输入不仅对正常的生理功能产生影响；同时也可能会影响包括癌症在内的很多疾病的发生与发展。
胶质瘤是最常见的原发性颅内肿瘤，年发病率约为3-8人/10万人，恶性胶质瘤患者中位生存期仅15个月。作为大脑基本功能单元的神经元与恶性胶质瘤细胞交流密切【1, 2】，但目前尚不明确神经元活动是否会直接调控恶性胶质瘤的发生。同时，以神经元活动为基础的大脑正常生理功能，比如外界的感官刺激，是否能直接影响恶性胶质瘤的发生与发展呢？
2022年5月11日，浙江大学医学院刘冲研究员团队在Nature杂志发表了题为Olfactory sensory experience regulates gliomagenesis via neuronal IGF1 的原创性研究成果，对上述问题进行了解答，首次明确嗅觉感知可以通过激活对应功能神经环路的活动直接调控恶性胶质瘤发生。
研究团队首先构建并系统分析了一个模拟成人少突胶质前体细胞（OPC）作为细胞起源的原发胶质瘤小鼠遗传学模型（简称CKO模型），发现在该模型中胶质瘤最初发生的位置具有一定的位置偏好性：肿瘤总是先出现在大脑初级嗅觉中枢，即位于嗅球的一个亚解剖结构-突触小球层（GL）（图一）。突触小球层是嗅觉环路第一级神经元（嗅觉感受神经元, ORN）和第二级神经元（僧帽/簇状细胞, M/T cells）的信息交流区域。这一发现暗示嗅觉功能环路的神经元活动可能对胶质瘤的发生起到重要作用。
为了精细调控嗅觉感受神经元的活动从而探究其对胶质瘤发生的影响，研究团队基于化学遗传学概念构建了可以特异性操控嗅觉感受神经元活动的Omp-hM4Di和Omp-hM3Dq转基因小鼠。在给予其激动剂氯氮平的情况下，Omp-hM4Di转基因可以导致嗅觉感受神经元细胞膜的超极化，抑制嗅觉感受神经元活性，从而削弱外界嗅觉刺激引起的功能环路激活；反之，Omp-hM3Dq转基因则可以实现氯氮平依赖的嗅觉感受神经元细胞膜去极化，从而导致嗅觉感受神经元在不依赖于外界嗅觉输入的情况下过度激活。通过将这两个转基因分别整合进上述CKO模型，可以实现在胶质瘤自发过程中对肿瘤小鼠的嗅觉输入进行增益或损减实验，从而探究嗅觉活动对胶质瘤发生是否有直接的调控作用。结果表明，当嗅觉感受神经元活动受到抑制后，肿瘤发生也相应被抑制；而当嗅觉感受神经元活动被持续性激活时，肿瘤的发生则被促进。
为了进一步证明外部嗅觉输入可以直接影响胶质瘤发生，研究团队设计了一个精巧的实验，将一个小硅胶塞塞入小鼠一侧鼻腔，从而直接剥夺单侧嗅觉输入（图二）。令人惊讶的是，这种简单的物理性嗅觉干预即可显著抑制同侧嗅球中肿瘤的发生与发展（图二）。综上，利用化学遗传学以及物理方法，研究团队充分证明了嗅觉感知可以调控胶质瘤的发生。
图二、 利用硅胶塞剥夺小鼠嗅觉可以抑制嗅球中胶质瘤。
接下来，研究团队对嗅觉调控胶质瘤发生的分子机制进行了探究。通过对单侧嗅觉剥夺小鼠的两侧嗅球组织进行转录组测序，筛选出了潜在效应因子- 胰岛素样生长因子1（IGF1）。有趣的是，团队之前发表的工作已经证明了前癌细胞表达的IGF1受体（IGF1R）对胶质瘤发生发展具有重要作用【3】，支持对IGF1在胶质瘤发生中的作用进行进一步探究。
在进一步明确了嗅球中IGF1主要在僧帽/簇状细胞中表达后，团队对该细胞来源IGF1对胶质瘤发生的作用进行了探究。团队结合之前发展的双标记嵌合体分析(MADM)技术【4】与双重组酶系统（Cre-LoxP和FlpO-FRT），开发了一个全新的小鼠遗传学模型，可以对肿瘤起源与演化实现高分辨率的谱系示踪，同时对肿瘤微环境细胞进行精准的遗传学操控（图三）。利用这一模型，团队明确证明了僧帽/簇状细胞来源的IGF1是调控嗅球中胶质瘤产生的关键细胞因子。
图三、双重组酶MADM小鼠模型的基因型示意图及机制解析。（a-c）利用hGFAP-FlpO介导MADM组件产生肿瘤(a)，Pcdh21-Cre介导敲除僧帽/簇状细胞中的IGF1(b)，最终的双重组模型（c）同时含有（a）和（b）中的组件；(d) 双重组酶MADM小鼠模型中不同细胞的基因型可以通过其表达的报告基因而清楚确认；（e-g）特异性敲除僧帽/簇状细胞中的IGF1抑制胶质瘤发生。
最后，团队在CKO肿瘤模型小鼠中，同时激活嗅觉感受神经元并阻断前癌OPC中的IGF1R信号通路，发现之前观察到的由嗅觉感受神经元激活导致的促瘤作用被完全消除。这一系列实验结果充分证明了嗅觉活动主要通过僧帽/簇状细胞来源的IGF1信号通路调控胶质瘤发生。
图四、嗅觉输入调控恶性胶质瘤发生的机制图。
综上所述，该工作利用一系列精巧的小鼠遗传学模型，证明了感觉刺激可以通过相应功能环路直接影响胶质瘤发生，揭示了外部环境刺激可能是一种新的胶质瘤诱发因素。同时，该工作提示微环境中神经元来源的IGF1可以作为胶质瘤治疗的新靶点。相关结果为进一步探索不同感觉刺激如视觉、听觉、触觉，甚至情绪认知等精神活动是否与胶质瘤发生相关提供了理论基础。
浙江大学医学院博士研究生陈鹏祥为论文第一作者，刘冲研究员为本文通讯作者。研究工作还得到了浙江大学医学院段树民院士、白瑞良副教授、浙江大学附属第二医院病理科李百周主任、浙江大学动物中心汪洌教授及浙江大学城市学院曾玲晖教授等的大力支持。
刘冲研究员团队长期关注脑胶质瘤发生与演进机制研究。相关工作以通讯作者发表在Nature（2022），Advanced Science（2020，2021），Neuro-Oncology（2016）等杂志。欢迎对肿瘤生物学、神经生物学、免疫学等相关背景的博士后加入团队！
浙江大学刘冲团队最新的工作利用一系列精巧的小鼠遗传学模型，严格证明了外界感知可以直接调控脑胶质瘤发生。工作中发展的小鼠遗传学自发胶质瘤模型可以实现高度模拟人高级别胶质瘤发生过程，为肿瘤发生这一研究方向提供重要工具。同时，团队还构建了一套全新的小鼠遗传学肿瘤模型，可以实现体内高精度（细胞特异性）、多维度（多细胞类型）的细胞调控，不仅可以用于本工作中实现多细胞类型的兴趣基因调控，而且可以广泛利用于未来肿瘤微环境的研究中。该工作极大丰富了现有的胶质瘤生物学思考框架。过去通常认为，脑胶质瘤由于发生在大脑这一相对受到“重重保护”的器官中，受到外界环境因素的影响有限。然而本工作不仅将外界环境因素引入胶质瘤发生过程，同时也引起了一系列有趣的思考，例如是否人的正常的思维活动也同样会影响胶质瘤发生这一重要的概念性问题。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04719-9
参考文献
1. Venkatesh, H. S. et al. Electrical and synaptic integration of glioma into neural circuits. Nature 573, 539–545 (2019).
2. Venkataramani, V. et al. Glutamatergic synaptic input to glioma cells drives brain tumour progression. Nature 573, 532–538 (2019).
3. Tian, A. et al. Oncogenic State and Cell Identity Combinatorially Dictate the Susceptibility of Cells within Glioma Development Hierarchy to IGF1R Targeting. Advanced Science 7, 2001724 (2020).
4. Liu, C. et al. Mosaic Analysis with Double Markers Reveals Tumor Cell of Origin in Glioma. Cell 146, 209–221 (2011).
转载须知
【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。