Nat Neurosci：為什么受傷后細(xì)胞能“智能”修復(fù)？科學(xué)家揭示損傷響應(yīng)增強子精準(zhǔn)調(diào)控機制

當(dāng)大腦或脊髓受傷時，體內(nèi)的細(xì)胞會啟動“應(yīng)急響應(yīng)”比如星形膠質(zhì)細(xì)胞會變成一種特殊的“激活狀態(tài)”，參與修復(fù)和炎癥調(diào)控。科學(xué)家一直想弄清楚：這些細(xì)胞是如何知道自己該在什么時候、開啟哪些基因的？答案藏在DNA里的“調(diào)控開關(guān)”增強子中。

基于此，2025年12月2日，瑞典斯德哥爾摩卡羅林斯卡學(xué)院細(xì)胞與分子生物學(xué)系Enric Llorens-Bobadilla研究團隊在《nature neuroscience》雜志發(fā)表了“The regulatory code of injury-responsive enhancers enables precision cell-state targeting in the CNS”揭示了損傷響應(yīng)增強子的調(diào)控編碼可實現(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的精準(zhǔn)細(xì)胞狀態(tài)靶向。

作者研究了哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)在損傷后，不同細(xì)胞如何通過特定的“基因開關(guān)”（增強子）啟動修復(fù)程序。他們結(jié)合單細(xì)胞測序和染色質(zhì)開放性分析，在小鼠脊髓損傷后發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個只在特定細(xì)胞類型中激活的增強子，尤其在膠質(zhì)細(xì)胞中大量存在，即使調(diào)控的是相同的傷口反應(yīng)基因這些增強子仍保持細(xì)胞特異性。通過深度學(xué)習(xí)模型發(fā)現(xiàn)，這些增強子的DNA序列巧妙地融合了兩類信息：通用的損傷響應(yīng)信號和細(xì)胞自身身份特征，從而確保只有特定細(xì)胞在損傷時精準(zhǔn)啟動相應(yīng)基因。更重要的是，作者利用體內(nèi)篩選證實，這些損傷響應(yīng)型增強子可被用作“導(dǎo)航元件”，搭載治療性基因載體后，能在整個中樞神經(jīng)系統(tǒng)中特異性靶向活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞，而不影響其他細(xì)胞。這項工作揭示了損傷如何通過增強子編碼細(xì)胞特異性反應(yīng)，為未來設(shè)計智能基因療法、精準(zhǔn)干預(yù)疾病狀態(tài)下的特定細(xì)胞提供了新策略。

圖一 脊髓損傷中細(xì)胞類型特異的增強子調(diào)控圖譜

為了揭示脊髓損傷后基因調(diào)控的機制，作者對小鼠中胸段脊髓挫傷部位進行了單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組與染色質(zhì)可及性聯(lián)合分析，在急性、亞急性和慢性多個時間點取樣全面捕捉損傷反應(yīng)的動態(tài)變化。

考慮到神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞已有較多研究，他們采用富集策略：一方面從完整組織構(gòu)建無偏圖譜，另一方面通過流式分選剔除常見細(xì)胞，并利用轉(zhuǎn)基因報告小鼠特異性富集稀有的室管膜細(xì)胞。這一方法顯著提升了星形膠質(zhì)細(xì)胞、室管膜細(xì)胞和免疫細(xì)胞等“低調(diào)但關(guān)鍵”群體的檢測比例。

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最終數(shù)據(jù)集包含67,072個高質(zhì)量細(xì)胞核，覆蓋所有主要神經(jīng)與非神經(jīng)細(xì)胞類型，以及局部和浸潤性免疫細(xì)胞（后者主要出現(xiàn)在損傷早期）。通過高分辨率聚類，每類細(xì)胞被細(xì)分為功能狀態(tài)明確的亞群，且這些亞群不僅有特異的基因表達(dá)特征，還對應(yīng)著十倍數(shù)量級的差異染色質(zhì)開放區(qū)域，其中80%以上位于遠(yuǎn)端調(diào)控元件（主要是增強子），而非啟動子。

有趣的是，一些共有的損傷標(biāo)志基因（如 Sox2）在不同細(xì)胞中由完全不同的增強子組合調(diào)控；而像周細(xì)胞和少突膠質(zhì)前體細(xì)胞這類基因表達(dá)相似的細(xì)胞，也能通過其獨特的增強子圖譜被清晰區(qū)分。

圖二 深度學(xué)習(xí)揭示脊髓損傷中細(xì)胞特異性增強子的調(diào)控語法

得益于高密度細(xì)胞采樣和全基因組染色質(zhì)可及性圖譜，作者利用可解釋的深度學(xué)習(xí)模型（如ChromBPNet）在小鼠脊髓中系統(tǒng)解碼了各類細(xì)胞特異性增強子的調(diào)控“語法”。他們?yōu)槊糠N主要細(xì)胞類型單獨訓(xùn)練模型，使其僅憑DNA序列就能精準(zhǔn)預(yù)測染色質(zhì)開放狀態(tài)。通過分析模型關(guān)注的關(guān)鍵序列特征，成功識別出大量與細(xì)胞身份相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合基序：例如神經(jīng)元中的EBF1、星形膠質(zhì)/室管膜細(xì)胞中的RORC/RFX4、少突膠質(zhì)細(xì)胞中的SOX10、免疫細(xì)胞中的SPI1/IRF家族以及血管周圍細(xì)胞中的ERG/SOX13。

這些基序常以組合形式出現(xiàn)在同一調(diào)控元件中，且82%對應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子確實在相應(yīng)細(xì)胞中表達(dá)，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)富集分析方法（僅57%匹配）。結(jié)果表明，細(xì)胞類型特異的基因調(diào)控程序由特定轉(zhuǎn)錄因子基序的組合編碼而成，而深度學(xué)習(xí)能以堿基對精度揭示這一邏輯，為理解中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷響應(yīng)的調(diào)控機制提供了強大工具。

圖三 體內(nèi)增強子AAV篩選鑒定出靶向反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的IRENs

在識別出損傷響應(yīng)增強子（IRENs）后，作者探索了它們能否用于精準(zhǔn)靶向反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞。他們選取19個在該細(xì)胞狀態(tài)中富集的IREN序列，將其克隆到腺相關(guān)病毒（AAV）載體中構(gòu)建了一個混合增強子報告文庫，并通過系統(tǒng)注射遞送至小鼠體內(nèi)。

結(jié)合脊髓損傷模型和單細(xì)胞RNA測序，研究發(fā)現(xiàn)：這些IRENs能特異性驅(qū)動報告基因（eYFP）且?guī)缀踔辉趽p傷部位的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞中激活，而在健康組織或其他細(xì)胞中無活性。相比之下，已知的普通星形膠質(zhì)細(xì)胞增強子無論在損傷與否狀態(tài)下均能驅(qū)動表達(dá)。

進一步分析顯示，IRENs的活性依賴于AP-1（響應(yīng)損傷）與SOX9/NFI（維持星形膠質(zhì)細(xì)胞身份）等轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)同作用。值得注意的是，一個人源星形膠質(zhì)細(xì)胞增強子雖能在小鼠中標(biāo)記星形膠質(zhì)細(xì)胞，但因缺乏AP-1位點，不具損傷響應(yīng)性，說明這類調(diào)控邏輯在物種間保守。

總結(jié)

這項工作通過單細(xì)胞分辨率的體內(nèi)增強子篩選平臺，成功驗證了IRENs可作為“智能開關(guān)”，在特定病理狀態(tài)下精準(zhǔn)驅(qū)動基因表達(dá)，為未來開發(fā)靶向疾病相關(guān)細(xì)胞狀態(tài)的基因療法提供了新工具。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41593-025-02131-w

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