祖细胞微环境作为瞬时生态位维持嗅觉神经发生的机制研究

本研究揭示了斑马鱼嗅觉上皮中祖细胞通过Notch信号通路与Insm1a转录因子的双向拮抗作用，在视网膜酸(RA)信号调控下形成"细胞邻里"微环境，以多稳态切换机制协调神经元命运决定。研究人员结合单细胞测序、活体成像和随机建模，发现脑源性神经营养因子(BDNF)-TrkB通路引导新生神经元顶端迁移。该研究为理解复杂器官中持续神经发生提供了多尺度调控框架。

　　

嗅觉系统作为脊椎动物终身具有神经再生能力的特殊感官，其持续不断的神经发生过程蕴含着精妙的调控机制。然而，在密集的微环境中，干细胞如何将嘈杂的细胞间信号转化为精确的细胞命运决定？祖细胞群体如何整合随机性信号产生稳定的神经元输出？这些核心问题长期困扰着研究者。美国阿拉巴马大学伯明翰分校和伊利诺伊大学芝加哥分校的Sriivatsan G. Rajan、Ankur Saxena团队在《Stem Cell Reports》发表的研究，通过多学科交叉方法揭示了"祖细胞邻里"作为瞬时生态位维持嗅觉神经发生的新型机制。

研究采用斑马鱼胚胎嗅觉上皮为模型，主要技术包括：1)转基因斑马鱼活体成像追踪Tp1:d2GFP⁺细胞动态；2)全胚胎单细胞RNA测序(scRNA-seq)解析18,257个细胞转录组；3)热休克诱导型转基因(HS:dnMAML)和吗啡啉反义寡核苷酸进行时空特异性基因干预；4)基于ACME算法的随机网络模型构建概率景观。

【Notch信号与Insm1a通过双向拮抗调控神经发生】
时间序列成像显示基底区Tp1:d2GFP⁺细胞呈现Notch信号动态波动。通过HS:dnMAML抑制Notch信号导致insm1a表达上调及嗅觉感觉神经元(OSNs)数量增加；反之，Insm1a/tp53吗啡啉敲除则增强Notch信号并减少神经元分化。免疫荧光证实her4.1^HIGHinsm1a^LOW中心细胞与her4.1^LOWinsm1a^HIGH邻近细胞形成互斥表达模式。

【单细胞图谱揭示神经发生连续状态】
scRNA-seq将嗅觉上皮细胞分为5个亚群：亚群3(sox2⁺tp63⁺基底干细胞)、亚群4(迁移相关基因表达)、亚群0(高notch1a/deltaA)、亚群1-2(高insm1a的成熟神经元)。伪时序分析显示Notch信号与insm1a的此消彼长定义了神经发生不同阶段。

【细胞邻里作为瞬时生态位】
空间图谱显示her4.1^HIGH中心细胞被insm1a^HIGH邻近细胞包围形成"邻里"结构。这些邻里细胞高表达神经分化标志物neurod4，时间推移成像证实其能产生Ngn1:nRFP⁺神经元。随机建模揭示该体系通过双稳态切换开关(her4.1^OFFinsm1a^ON ? her4.1^ONinsm1a^OFF)维持细胞命运分歧。

【跨器官RA信号调控】
视网膜特异性表达aldh1a2/a3，而嗅觉上皮仅少数cyp26a1⁺细胞作为RA"沉没"。DEAB抑制RA合成导致邻里中neurod4表达下降，眼内RA珠植入可挽救此表型，证实眼源性RA通过调节Notch/Insm1a平衡影响神经发生。

【BDNF-TrkB引导神经元迁移】
成熟OSNs高表达bdnf，其受体ntrk2a(TrkB直系同源物)见于基底邻里。ANA-12抑制TrkB信号虽不影响细胞运动但显著降低径向迁移效率，揭示BDNF梯度引导新生神经元顶端整合。

该研究首次阐明：1)祖细胞邻里作为自组织瞬时生态位，通过Notch/Insm1a双向拮抗和RA调控实现噪声过滤；2)多稳态概率景观定量描述细胞命运决定；3)跨器官信号协同局部微环境维持持续神经发生。这些发现不仅为感官器官发育提供新范式，更为干细胞治疗中的命运操控提供理论框架。特别值得注意的是，该研究将物理建模与生物实验完美结合，Jie Liang发展的ACME算法为解析随机生物系统树立了典范。