新皮质星形胶质细胞多样性的双谱系起源机制及其功能意义

本研究通过单细胞RNA测序和空间转录组学技术，揭示了小鼠新皮质中五种星形胶质细胞亚型的分子特征与空间分布规律。研究人员发现这些亚型起源于两个独立的放射状胶质细胞(RGC)谱系：Emx1+神经元-星形胶质细胞转换谱系和Olig2+特异性胶质生成谱系。通过TrackerSeq克隆追踪和Olig2基因敲除实验，证实Olig2是决定星形胶质细胞谱系分化的关键调控因子，其缺失会导致突触形成功能异常。该研究为理解中枢神经系统胶质细胞多样性发育机制提供了新范式。

　　

在中枢神经系统发育过程中，星形胶质细胞(astrocytes)长期以来被视为功能均质的群体，主要承担支持神经元存活、维持血脑屏障等基础功能。然而近年研究发现，不同脑区的星形胶质细胞存在显著异质性，甚至在新皮质(cerebral cortex)内部也观察到分子特征和空间分布的差异。这种多样性如何产生？是随机分布还是受发育程序调控？这些问题成为神经发育领域的重大谜题。更关键的是，星形胶质细胞亚型与特定神经功能的对应关系始终未能阐明。

瑞士日内瓦大学的研究团队在《Nature Communications》发表的重要研究，通过多组学联用技术揭示了新皮质星形胶质细胞多样性的发育起源和功能意义。研究人员首先建立P7小鼠新皮质的单细胞转录组图谱，结合MERFISH空间转录组技术鉴定出五种分子特征独特的星形胶质细胞亚型：主要分布在上层灰质的Ast_Slc7a10、富集在白质的Ast_S100a4、位于第1层的Ast_Serpinf1，以及广泛分布的Ast_H2az1和Ast_Sfrp1。这些亚型在成年大脑中仍保持稳定存在，但部分分子标记随发育动态变化。

关键技术包括：(1)基于piggyBac转座子的TrackerSeq克隆追踪系统，实现长期谱系标记；(2)单细胞RNA测序(scRNA-seq)和MERFISH空间转录组联用；(3)Olig2 CRISPR-Cas9基因敲除模型；(4)结合URD算法的发育轨迹重建；(5)突触形态和密度量化分析。

分子特征与空间分布揭示五种皮质星形胶质细胞亚型
通过整合E12.5和E16.5电转的P7皮质scRNA-seq数据，研究鉴定出Ast_Slc7a10、Ast_S100a4等五个亚型，各亚型表达独特标记基因如Slc7a10、S100a4等。MERFISH空间定位显示这些亚型沿皮质柱分层分布：Ast_Slc7a10富集于上层灰质，Ast_S100a4特异性位于白质，Ast_Serpinf1集中在第1层。

双谱系起源塑造皮质星形胶质细胞多样性
URD轨迹分析发现两个主要发育分支：S100a11轨迹（产生Ast_Sfrp1和Ast_S100a4）和Olig2轨迹（产生其他三个亚型）。TrackerSeq克隆分析揭示前者多与兴奋性神经元共享克隆，后者则形成独立的胶质细胞克隆。

两种RGC亚型共同贡献皮质星形胶质细胞
E18.5单细胞数据鉴定出RGC_1（表达Ascl1，产生神经元和S100a11谱系星形胶质细胞）和RGC_2（表达Id3，主要产生Olig2谱系）。MERFISH证实它们在E14.5脑室区空间分离。Emx1-Cre谱系追踪显示约30%皮质星形胶质细胞源自非Emx1⁺的RGC_2。

Olig2是决定谱系分化的关键调控因子
GRN分析发现Olig2通过调控Serpine2等靶基因维持谱系特性。Olig2敲除导致星形胶质细胞形态和分子特征向S100a11谱系转变，突触形成评分降低，树突棘密度显著下降（P21减少28%，P50减少35%）。

这项研究颠覆了传统"单一RGC产生所有皮质星形胶质细胞"的认知，提出双谱系协同生成的新模型。在进化层面，研究发现在非哺乳类脊椎动物中仅存在Olig2谱系，提示S100a11谱系可能伴随新皮质进化出现。该成果不仅为理解神经胶质细胞发育提供全新框架，对揭示自闭症等神经发育疾病的病理机制也具有重要启示——星形胶质细胞亚型特异性功能障碍可能是导致突触发育异常的关键因素。研究建立的跨尺度分析范式（分子-克隆-功能）为解析其他器官的细胞多样性起源树立了典范。