小胶质细胞祖细胞通过整合素介导从软脑膜表面迁移定植胚胎中枢神经系统的机制研究

本研究针对早期小胶质细胞祖细胞（microglia progenitors）定植中枢神经系统（CNS）的机制不明确的问题，通过转录组和蛋白质组学分析，揭示了其依赖整合素（integrin）与细胞外基质（ECM）的相互作用，从周围间充质经软脑膜表面迁移至CNS的路径，并证实了talin-1（Tln1）在此过程中的关键作用，为理解神经发育中免疫细胞募集提供了新视角。

　　

在神经发育的早期阶段，中枢神经系统（CNS）的免疫监视主要由小胶质细胞（microglia）承担，这些细胞起源于卵黄囊（yolk sac）中的早期红细胞样祖细胞（erythromyeloid progenitors, EMPs），并在胚胎期约9.5天（E9.5）时开始进入CNS。尽管其发育起源已较为明确，但小胶质细胞祖细胞如何迁移并定植于CNS的分子机制尚未完全解析。传统观点认为，这些祖细胞可能通过血液循环迁移至胚胎，并从血管中外渗进入CNS，但这一过程的具体路径和调控因子仍存在争议。此外，有研究报道了第二波“较晚”的巨噬细胞祖细胞在E12.5至E14.5期间通过脑顶板（roof plate）进入CNS，但其对成年小胶质细胞群体的贡献尚不明确。因此，阐明早期小胶质细胞祖细胞迁移的分子机制，对于理解神经发育和免疫系统的相互作用具有重要意义。

为了深入探究这一问题，Petry等人结合转录组学和蛋白质组学方法，系统分析了小胶质细胞祖细胞在迁移过程中的分子特征及其与微环境的相互作用。他们的研究发现，小胶质细胞祖细胞表达特定的整合素表面谱，并通过与细胞外基质（ECM）丰富的软脑膜（pial surface）相互作用，从周围间充质迁移至CNS。这一过程依赖于整合素适配蛋白talin-1（Tln1）的激活，缺失Tln1会导致CNS内小胶质细胞数量减少，而周围间充质中的巨噬细胞祖细胞则不受影响。这些结果揭示了一条先前未被认识的迁移路径，并强调了整合素介导的迁移在早期小胶质细胞定植中的关键作用。

本研究主要采用了以下关键技术方法：单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析卵黄囊祖细胞的转录组特征；蛋白质组学（LC-MS/MS）检测胚胎CNS组织中ECM相关蛋白的表达；免疫荧光染色和空间转录组学技术观察小胶质细胞祖细胞在胚胎中的分布；以及利用条件性基因敲除小鼠模型（如Cx3cr1^CreTln1^fl/fl、Itgb2^-/-等）验证整合素信号在迁移过程中的功能。样本来源于小鼠胚胎的不同发育阶段（E9.5至E17.5）以及成年小鼠。

研究结果部分主要包括以下几个方面的发现：

1. 1.

   小胶质细胞祖细胞表现出与细胞迁移和粘附相关的基因富集

   通过分析E9.5卵黄囊中的scRNA-seq数据，研究人员发现小胶质细胞祖细胞（主要集中在簇C3和C8）高表达与细胞迁移、趋化性和整合素介导的粘附相关的基因，如Tln1、Itgb1、Itgb2、Itgb3、Itgal、Itga4和Itgam。这些基因的富集表明整合素信号通路在祖细胞迁移中可能发挥重要作用。

2. 2.

   小胶质细胞祖细胞在胚胎发育过程中的动态分布

   利用已发表的小鼠胚胎scRNA-seq数据集，研究人员进一步分析了小胶质细胞祖细胞在E9.5至E13.5期间的分布。结果显示，具有小胶质细胞祖细胞特征的细胞在E9.5和E10.5时显著富集，尤其是在与神经外胚层和周围间充质相邻的区域。细胞互作分析预测了这些祖细胞与内皮细胞、间充质细胞和神经祖细胞之间的相互作用，涉及ECM成分（如Fn1、Lama4和Col4a1）与整合素（如Itga9/Itgb1和Itga6/Itgb1）的结合。

3. 3.

   小胶质细胞及其祖细胞在发育过程中表达动态的整合素谱

   通过流式细胞术分析，研究人员发现小胶质细胞及其祖细胞在不同发育阶段（从E10.5至成年）表达异质性的整合素亚基。其中，整合素α_Mβ₂（CD11b/CD18）、α_vβ₃和α₆β₁稳定表达，而α₄β₁（VLA-4）、α_Lβ₂（LFA-1）和α_IIbβ₃仅在卵黄囊祖细胞和早期胚胎小胶质细胞中特异性表达。这种动态调节反映了整合素在发育阶段特异性功能中的潜在作用。

4. 4.

   胚胎CNS在E9.5时富集ECM相关蛋白

   通过对E9.5、E14.5和成年CNS组织的蛋白质组学分析，研究人员发现E9.5的CNS中ECM相关蛋白（如层粘连蛋白亚基、胶原α链、纤连蛋白和原纤维蛋白-1）显著富集。这些蛋白的富集与早期小胶质细胞祖细胞的迁移时间点一致，提示ECM可能为祖细胞迁移提供支持。

5. 5.

   小胶质细胞祖细胞通过软脑膜表面迁移至CNS

   通过免疫荧光染色和空间转录组学分析，研究人员观察到Iba-1⁺CD206⁺祖细胞在E10.5时主要位于头部间充质和软脑膜表面，并与层粘连蛋白沉积的ECM密切接触。这些细胞正在从软脑膜表面向CNS实质内迁移，而Iba-1⁺CD206^-细胞则位于CNS实质内，表明CD206的表达在细胞进入CNS后迅速下调。此外，未发现祖细胞从血管中外渗的证据，支持了“间充质至CNS”的迁移路径。

6. 6.

   小胶质细胞CNS定植依赖于Tln1介导的整合素激活

   利用Cx3cr1^CreTln1^fl/fl小鼠模型，研究人员发现缺失Tln1会导致E10.5时CNS内小胶质细胞数量显著减少，而周围间充质中的祖细胞数量不变。这表明Tln1介导的整合素激活特异性调控祖细胞从软脑膜表面向CNS的迁移，而不影响其向间充质的迁移。此外，Itgb2单倍体不足（Itgb2^+/-）反而增加了CNS内小胶质细胞数量，提示整合素亲和力的精细调控对迁移效率具有重要影响。

综上所述，本研究系统揭示了早期小胶质细胞祖细胞通过整合素介导的迁移路径从周围间充质定植胚胎CNS的机制。这一过程依赖于ECM与整合素的相互作用，并由Tln1调控的高亲和力整合素激活所驱动。这些发现不仅深化了对神经发育中免疫细胞募集的理解，还为相关神经系统疾病的机制研究提供了新的视角。此外，研究结果提示整合素信号通路的调控可能成为干预小胶质细胞相关疾病的潜在靶点。未来的研究可以进一步探索其他因子在祖细胞迁移中的作用，以及不同整合素亚型在特定发育阶段的功能补偿机制。