温子龙团队揭示小胶质细胞更新和寿命决定的新机制

在小鼠中，卵黄囊起源的原初巨噬细胞在胚胎发育第9.5天（E9.5）迁移到大脑中并通过自我更新的方式实现终身维持[1, 2]。然而，由于小鼠小胶质细胞的高度异质性以及寿命的不确定性，关于小胶质细胞更新及寿命决定的细胞与分子机制仍然并不清楚。与小鼠不同，2015年温子龙教授课题组通过与香港科技大学瞿佳男教授合作发现斑马鱼大脑中的小胶质细胞具有两个来源，即由喙部血岛（RBI）产生的胚胎小胶质细胞和从动脉-性腺-中肾（AGM）区域起源的成年小胶质细胞。其中，RBI小胶质细胞寿命较短，其数量在发育过程中逐渐减少，并在成年时期完全被AGM小胶质细胞所取代[3]。因此，斑马鱼中小胶质细胞这种动态更替的现象使其成为探索小胶质细胞更新与寿命决定的理想模型。

2023年6月16日，南方科技大学/深圳湾实验室温子龙教授课题组在Science Advances发表文章“Cell competition for neuron-derived trophic factor controls the turnover and lifespan of microglia”，揭示了大脑中不同来源以及相同来源的小胶质细胞之间通过竞争脑内的营养因子Il34来调控其更新与寿命。

通过标记追踪RBI和AGM两种小胶质细胞的动态发育过程，研究人员发现虽然RBI和AGM小胶质细胞各自的细胞学行为大不相同，但整个大脑中小胶质细胞的密度在发育晚期及成年时期却维持在相对恒定的水平，这一现象提示大脑内整个小胶质细胞的群体数量受到大脑容量的影响。另外增殖与凋亡实验显示，在发育晚期RBI小胶质细胞呈现高凋亡、低增殖的状态时， AGM小胶质细胞则表现出低凋亡、高增殖的状态。这一现象使得作者提出假说，发育过程中RBI小胶质细胞的减少有可能是因为与AGM小胶质细胞的竞争落败所致。为了验证这一猜想，作者在AGM小胶质细胞缺陷的runx1^w84x突变体中，对RBI小胶质细胞进行了追踪。结果显示，AGM小胶质细胞缺失能够显著增加RBI小胶质细胞寿命和数量。加之胚胎时期移植AGM小胶质细胞到runx1^w84x突变体中能够完全取代其大脑内的RBI小胶质细胞，以上研究表明发育过程中AGM小胶质细胞的确能够通过细胞竞争的方式加速RBI小胶质细胞的消亡。

为了进一步探究RBI和AGM小胶质细胞竞争的分子机制，作者把目光集中在Il34-Csf1ra信号通路上。研究人员发现，通过操控脑内Il34的浓度（即Il34过表达或敲除）改变小胶质细胞间的竞争压力，能够显著改变RBI小胶质细胞的维持与更替，表明营养因子Il34的确是调控脑内小胶质细胞竞争的关键信号。为了进一步阐明不同来源小胶质细胞竞争能力差异的分子机制，研究人员通过单分子原位杂交技术（RNAscope）比较了不同时期RBI和AGM小胶质细胞中Il34受体csf1ra的表达。实验表明，随着RBI小胶质细胞年龄的增加，其csf1ra的表达水平逐渐降低，并在青幼年晚期（2月龄）时显著低于AGM小胶质细胞。另外，通过csf1ra RNAscope与EdU或TUNEL共染，以及通过部分敲除或过表达csf1ra，研究人员证明csf1ra的表达水平决定小胶质细胞的适应性（fitness）并调控RBI小胶质细胞的消亡与更替。综上所述，这些结果表明RBI小胶质细胞的消亡是因为随着年龄增加csf1ra表达下降导致其对营养因子Il34的竞争能力减弱所致。

以上研究表明，Il34-Csf1ra信号通过细胞竞争的方式参与调控年老RBI小胶质细胞的清除。为了进一步探究这一机制是否同样用于成年斑马鱼AGM小胶质细胞群体内年老细胞的清除，研究人员通过EdU标记追踪的方式发现，AGM小胶质细胞中csf1ra的表达水平也随着年龄的增加而降低。同时，通过csf1ra RNAscope与EdU和TUNEL共染，研究人员发现csf1ra在增殖小胶质细胞（EdU⁺）中的表达水平明显高于其凋亡小胶质细胞（TUNEL⁺）中的表达水平。另外，部分敲除csf1ra也会导致成年时期AGM小胶质细胞显著降低。以上结果表明同RBI小胶质细胞一样，AGM小胶质细胞的适应性和更新维持同样受到csf1ra水平的调控。最后，为了验证这一机制在小鼠中的保守性，研究人员通过Csf1r RNAscope与EdU和TUNEL共染，发现Csf1r在增殖小胶质细胞（EdU⁺）中的表达水平同样明显高于凋亡小胶质细胞（TUNEL⁺）中的表达水平。以上结果表明从斑马鱼到小鼠，IL34-CSF1R信号在调控小胶质细胞适应性、更新和寿命方面具有高度保守性。

据悉，深圳北京大学香港科技大学医学中心/深圳湾实验室粤港澳生物医学创新中心副研究员余涛和深圳北京大学香港科技大学医学中心博士生邝昊悦为本文共同第一作者。同时，该项工作也得到深圳湾实验室研究助理吴小海等人的协助。

参考文献：

1. F. Ginhoux et al., Fate mapping analysis reveals that adult microglia derive from primitive macrophages. Science 330, 841-845 (2010).

2. C. Schulz et al., A lineage of myeloid cells independent of Myb and hematopoietic stem cells. Science 336, 86-90 (2012).

3. J. Xu et al., Temporal-Spatial Resolution Fate Mapping Reveals Distinct Origins for Embryonic and Adult Microglia in Zebrafish. Developmental cell 34, 632-641 (2015).