大設(shè)施出大成果 | 深圳先進(jìn)院團(tuán)隊(duì)首次證實(shí)外周神經(jīng)系統(tǒng)存在小膠質(zhì)細(xì)胞
北京時間4月7日23時,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李漢杰團(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》發(fā)表最新研究,首次證實(shí)了人體外周神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)存在小膠質(zhì)細(xì)胞。這一成果為探索外周神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育及其疾?。ㄈ缏蕴弁?、嗜神經(jīng)病毒感染等)提供了新視角和潛在靶點(diǎn)。深圳先進(jìn)院為該研究第一單位。
值得一提的是,該研究是依托深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施、深圳腦解析與腦模擬重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,以及中國科學(xué)院昆明動物研究所的模式動物表型與遺傳研究國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施(靈長類設(shè)施)產(chǎn)出的重要成果,進(jìn)一步凸顯了大科學(xué)設(shè)施為解決重大科學(xué)問題提供的關(guān)鍵支撐作用。
審稿人對該成果給予了高度評價:“這是一項(xiàng)極為重要的新發(fā)現(xiàn),突破了現(xiàn)有的認(rèn)知框架。此前,我們一直認(rèn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)之外不存在小膠質(zhì)細(xì)胞,然而作者通過強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù),證明了外周神經(jīng)系統(tǒng)中小膠質(zhì)細(xì)胞的存在,這一發(fā)現(xiàn)打破了傳統(tǒng)認(rèn)知?!?/p>
改寫神經(jīng)免疫領(lǐng)域傳統(tǒng)定論
免疫細(xì)胞是免疫系統(tǒng)的重要部分,分布于身體的各個組織器官,在胚胎發(fā)育、器官形成、維持身體穩(wěn)定以及影響疾病發(fā)生發(fā)展等多方面發(fā)揮著重要的作用。其中,小膠質(zhì)細(xì)胞在中樞神經(jīng)發(fā)育、免疫監(jiān)視及退行性病變(如阿爾茲海默癥、帕金森綜合征)等過程中扮演重要角色,但自1919年被發(fā)現(xiàn)以來,小膠質(zhì)細(xì)胞一直被認(rèn)為是中樞神經(jīng)系統(tǒng)特有的免疫細(xì)胞亞群。
2023年9月,李漢杰團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》發(fā)表的研究成果中,首次在國際上繪制了覆蓋組織范圍最廣、時間跨度最長、采樣密度最高的人類免疫系統(tǒng)發(fā)育圖譜,并由此觀察到人體發(fā)育早期的皮膚、心臟和睪丸等多個外周組織中存在大量的小膠質(zhì)細(xì)胞,一舉打破了小膠質(zhì)細(xì)胞僅存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的傳統(tǒng)認(rèn)知。
基于前期研究基礎(chǔ),李漢杰團(tuán)隊(duì)進(jìn)而提出一個大膽猜想:在外周神經(jīng)系統(tǒng)中或許也存在小膠質(zhì)細(xì)胞。
“起初,我們只觀察到小膠質(zhì)細(xì)胞在除中樞神經(jīng)系統(tǒng)以外的其他組織中出現(xiàn),但具體是否存在于外周神經(jīng)系統(tǒng)并未確認(rèn),于是開啟了一年多的‘自由探索’。”論文第一作者吳志生回憶道,這項(xiàng)研究需要在食蟹猴和豬等各種體型大小各異的非經(jīng)典模式動物上開展,團(tuán)隊(duì)不僅要從野外、養(yǎng)殖場收集生物樣本,且由于傳統(tǒng)的研究手段無法運(yùn)用到非經(jīng)典實(shí)驗(yàn)動物中,還需要重新搭建研究體系。
“我們在臨床樣本、食蟹猴樣本和豬樣本的外周神經(jīng)節(jié)中,觀察到了一類與大腦小膠質(zhì)細(xì)胞基因特征相同的細(xì)胞類群。而外周神經(jīng)節(jié)恰好是外周神經(jīng)系統(tǒng)的一部分,負(fù)責(zé)接收和傳遞外周的感覺信息到大腦?!眳侵旧f道。
為了確保結(jié)果的準(zhǔn)確性,研究團(tuán)隊(duì)又通過表觀遺傳特征、細(xì)胞溯源分析以及功能實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步確認(rèn)了中樞神經(jīng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)中的小膠質(zhì)細(xì)胞不僅在表觀遺傳特征上高度相似,且均起源于卵黃囊來源的前體細(xì)胞,在功能上也具有一定的相似性,從而證實(shí)了“外周神經(jīng)系統(tǒng)小膠質(zhì)細(xì)胞”的存在。
存在于約4.3億年前,與體型大小相關(guān)
為了探尋外周神經(jīng)系統(tǒng)小膠質(zhì)細(xì)胞的演化歷程,研究人員進(jìn)一步對24種脊椎動物的外周神經(jīng)節(jié)進(jìn)行分析,涵蓋了魚類、兩棲類、爬行類和哺乳類。
他們發(fā)現(xiàn),外周神經(jīng)系統(tǒng)小膠質(zhì)細(xì)胞起源古老,至少在約4.3億年前硬骨魚類的共同祖先時期,這類細(xì)胞就已出現(xiàn)在生物演化進(jìn)程中。
通過系統(tǒng)演化分析顯示,外周神經(jīng)系統(tǒng)小膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量和物種體型大小、外周神經(jīng)元胞體大小呈顯著正相關(guān)?!耙簿褪钦f,物種體型越大,外周神經(jīng)元胞體越大,外周神經(jīng)系統(tǒng)中的小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量也就越多;反之,物種體型越小,其胞體越小,外周神經(jīng)系統(tǒng)中的小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量也就越少甚至完全缺失。”吳志生介紹。
這意味著,在進(jìn)化中,外周神經(jīng)系統(tǒng)小膠質(zhì)細(xì)胞對大體型物種的神經(jīng)元發(fā)育與成熟起到關(guān)鍵作用,它根據(jù)遠(yuǎn)古時代經(jīng)自然選擇機(jī)制保留下來,逐漸進(jìn)化成數(shù)量與脊椎動物體型相關(guān)的免疫細(xì)胞。
“外周神經(jīng)系統(tǒng)的小膠質(zhì)細(xì)胞在小鼠和大鼠這一類體型較小的脊椎動物中并不存在。這或許是因?yàn)橐酝目茖W(xué)研究主要依賴小鼠和大鼠作為模式生物,導(dǎo)致這類細(xì)胞一直未被發(fā)現(xiàn)?!闭撐耐ㄓ嵶髡呃顫h杰研究員表示。
此外,研究團(tuán)隊(duì)在解析結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)教科書中的外周神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的“神經(jīng)元-衛(wèi)星膠質(zhì)細(xì)胞”二元結(jié)構(gòu)不同,外周神經(jīng)系統(tǒng)小膠質(zhì)細(xì)胞在較大體型物種中直接接觸并包裹外周神經(jīng)元胞體,形成“神經(jīng)元-小膠質(zhì)細(xì)胞-衛(wèi)星膠質(zhì)細(xì)胞”三元結(jié)構(gòu),進(jìn)一步刷新了科學(xué)界對人體外周神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。
“大設(shè)施+大科學(xué)”,產(chǎn)出大成果
近年來,我國的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展時期,一批大科學(xué)設(shè)施建成運(yùn)營,通過“大設(shè)施+大科學(xué)”的協(xié)同創(chuàng)新模式,重大成果不斷涌現(xiàn),為科技強(qiáng)國建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)支撐。
2024年12月,由深圳先進(jìn)院牽頭建設(shè)的合成生物、腦解析與腦模擬重大科技基礎(chǔ)設(shè)施宣布正式啟用,為國家科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級注入強(qiáng)勁動力。
“該研究的突破離不開大科學(xué)設(shè)施的關(guān)鍵性支撐?!崩顫h杰介紹,在該研究中,研究團(tuán)隊(duì)利用深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的自動化、高通量、標(biāo)準(zhǔn)化平臺,對多物種的中樞及外周神經(jīng)系統(tǒng)免疫細(xì)胞進(jìn)行無偏差單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序與生物信息學(xué)分析,重點(diǎn)研究了外周神經(jīng)系統(tǒng)小膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育分化及跨物種比較;利用深圳腦解析與腦模擬重大科技基礎(chǔ)設(shè)施開展了模式動物神經(jīng)電信號分析研究。
在進(jìn)行跨物種的系統(tǒng)演化分析中,研究團(tuán)隊(duì)借助中國科學(xué)院昆明動物研究所的模式動物表型與遺傳研究國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施(靈長類設(shè)施)、國家非人靈長類實(shí)驗(yàn)動物資源庫平臺,使得非人靈長類等多物種的采樣與研究順利進(jìn)行。
當(dāng)前,大科學(xué)設(shè)施已成為科技創(chuàng)新的重要利器。“該研究成果凸顯了我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的創(chuàng)新能力,重大科技基礎(chǔ)設(shè)施通過設(shè)備資源共享、人才交流合作等機(jī)制,實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究重大發(fā)現(xiàn)?!崩顫h杰表示,該研究成果的發(fā)現(xiàn)不僅印證了多平臺聯(lián)動的科研價值,也為后續(xù)生命科學(xué)領(lǐng)域的重大攻關(guān)提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。未來,隨著我國大科學(xué)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的不斷完善,設(shè)施間的協(xié)同效應(yīng)將持續(xù)釋放,為源頭創(chuàng)新和技術(shù)突破注入更強(qiáng)動力。

文章上線截圖

論文通訊作者李漢杰(后排)與論文第一作者吳志生交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

李漢杰團(tuán)隊(duì)合影

團(tuán)隊(duì)利用深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施開展研究
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