撰文 | Qi
神經幹細胞（neural stem cells，NSCs）在成年期主要儲存在海馬齒狀回（dentate gyrus，DG）和側腦室室下區（ventricular-subventricular zone, V-SVZ），發育階段的神經發生（從胚胎髮育中期到出生後第二週）和成年階段的神經發生（從出生後第14天開始並持續一生）之間存在明顯差異。在大多數哺乳動物中已經觀察到一種固定的模式，即DG中產生的新神經元數量在青少年階段較高，但在成年階段迅速下降並在之後維持在較低水平【1】，那麼人類中是否也會發生類似的轉變尚不清楚。
海馬神經幹細胞位於神經發生譜系的頂端，它們的數量也隨著時間的推移而減少，因此，神經幹細胞行為的改變很可能與成年期神經發生的轉變有關。然而，關於成人海馬神經幹細胞的行為模式目前仍存在分歧：Encinas等人提出一種“一次性幹細胞模型”，在這種模型中，離開靜息期的NSCs透過一系列神經原性分裂，不再回到靜息階段，並最終分化為星形膠質細胞，進而導致NSC池的減少【2】；而Bonaguidi等人提出了一個截然相反的“長期自我更新”模型，其中許多神經幹細胞在分裂後恢復至靜息階段，因此神經幹細胞庫僅隨年齡略微下降【3】；此外，還有一種模型支援“幹細胞行為異質性”，他們認為增殖性幹細胞中促活化因子ASCL1的降解使這些細胞中的一部分能夠回到靜息階段【4】。那麼實際的神經幹細胞行為符合哪種模型仍然未知。
近日，來自英國弗朗西斯克裡克研究所的François Guillemot團隊在CellStem Cell雜誌上發表了一篇題為 Coordinated changes in cellular behavior ensure the lifelong maintenance of the hippocampal stem cell population 的文章，這項研究表明成年階段幹細胞數量的穩定是幹細胞行為協調變化的結果，而幹細胞行為的改變由促活化蛋白ASCL1翻譯後降解增加所致。這些發現有助於調和目前相互矛盾的海馬神經幹細胞動力學模型，並可能是導致哺乳動物（包括人類）海馬神經生成差異下降率的原因所在。
首先，作者研究了從幼年到老年小鼠的海馬神經幹細胞的細胞特性。0.5月齡小鼠的DG中神經幹細胞快速下降，2月齡小鼠的神經幹細胞數量減少了一半以上，在6、12和18月齡小鼠中已經達到更低的水平，但這種耗竭率並不與幹細胞活性存在明顯相關性。作者推斷，在成年早期階段增殖的神經幹細胞可能獲得不同的特性，這些特性在整個成年神經發生過程中起到延緩消耗和保護神經幹細胞群的作用。作者使用EdU標記不同年齡小鼠的增殖的海馬神經幹細胞，並發現增殖的幹細胞會逐漸獲得恢復靜息的能力（下文稱為resting NSCs），透過長期的自我更新以支援神經幹細胞池的維持，而在此期間，從未增殖過的休眠神經幹細胞（下文稱為dormant NSCs）會隨著時間推移，進入更深層的靜息狀態。
接下來，作者想知道恢復至“靜息狀態”和“逃避分化”能否為神經幹細胞爭取到更多的自我更新的機會。為此，作者建立一種基於H2B-GFP融合蛋白的標記系統的小鼠模型，其中融合蛋白會在細胞核中積累，隨後透過Dox給藥抑制，引起細胞分裂後GFP標籤被稀釋。作者發現在幼年小鼠中，64%的神經幹細胞僅自我更新一次（成年小鼠為50%），而12%的神經幹細胞經歷了三次或三次以上的自我更新分裂（成年小鼠為28%），這一發現提示隨著時間的推移，自我更新的增加是有助於成人神經幹細胞庫儲存的另一種機制。
那麼海馬神經幹細胞的年齡依賴性變化背後的分子機制是什麼呢？首先，作者將標記NSCs的Nestin-GFP小鼠系與Ki67TD小鼠雜交（Ki67TD-NES），對不同年齡的雜交小鼠注射tamoxifen，透過紅色熒光不可逆地標記增殖細胞及其後代【5, 6】。透過流式分選和10x genomics測序證實年齡對神經幹細胞靜息狀態的顯著影響。進一步地分析scRNA-seq資料來比較差異表達基因，結果發現resting NSCs與脂質代謝相關的基因表達減少，提示靜息程度較淺，因為神經幹細胞需要新生脂肪生成和脂肪酸氧化來維持靜息狀態；與此同時，resting NSCs也表現出與退出靜息狀態相關的核糖體生物發生、mRNA加工和翻譯延伸相關的基因表達增加，蛋白質生物合成途徑的上調的變化；此外，與dormant NSCs相比，resting NSCs與維持靜息狀態相關的多個基因或途徑，如Clu、Hopx、Notch2和Id4下調等。
繼續回答上面的問題，作者提出轉錄因子ASCL1是促進神經幹細胞特性變化的有力候選因子，誘導ASCL1表達已被證明為啟用靜息神經幹細胞所必需，而ASCL1水平降低會使得增殖的幹細胞重返靜息狀態。結合上述研究結果，是否意味著海馬神經幹細胞的性質變化可能反映了ASCL1的表達水平也隨著年齡增長而逐漸降低？為此，作者檢測了不同年齡的表達ASCL1-VENUS融合蛋白的小鼠神經幹細胞中的ASCL1蛋白水平，結果顯示ASCL1的蛋白減少與年齡增加直接相關。但是，Ascl1轉錄組水平並沒有顯著變化，可以推測這種年齡依賴性下降歸結於翻譯後調節的影響，故而檢測了ASCL1的E3泛素連線酶HUWE1水平及活性。結果表明，HUWE1的表達和活性隨著時間的推移而增加，從而降低ASCL1蛋白水平並介導相關的幹細胞靜息狀態變化，進而在成年神經發生的過程中發揮保護NSCs庫的作用。
總的來說，這項研究證明了神經幹細胞特性的漸進性和協調性變化使得從“高水平的神經發生和幹細胞耗竭”過渡到“低水平但可持續的神經發生和幹細胞的自我更新狀態增加”，並解釋了這一現象背後的分子機制。雖然Huwe1轉錄上調和活性增加的機制尚不清楚，但已有研究證明HUWE1對ASCL1的泛素化與磷酸化狀態相關，而成年和青少年階段的神經幹細胞中也存在諸多差異表達的磷酸酶和激酶，未來針對這方面的研究可能有助於深入瞭解從發育到成年神經發生過程中驅動海馬神經幹細胞行為變化的具體機制。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.01.003
製版人：十一
參考文獻
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3. Bonaguidi, M.A., Wheeler, M.A., Shapiro, J.S., Stadel, R.P., Sun, G.J., Ming, G.L., and Song, H. (2011). In vivo clonal analysis reveals self-renewing and multipotent adult neural stem cell characteristics. Cell 145, 1142–1155.
4. Urba ´ n, N., van den Berg, D.L., Forget, A., Andersen, J., Demmers, J.A., Hunt, C., Ayrault, O., and Guillemot, F. (2016). Return to quiescence of mouse neural stem cells by degradation of a proactivation protein. Science 353, 292–295.
5. Mignone, J.L., Kukekov, V., Chiang, A.S., Steindler, D., and Enikolopov, G. (2004). Neural stem and progenitor cells in nestin-GFP transgenic mice. J. Comp. Neurol.469, 311–324.
6. Basak, O., Krieger, T.G., Muraro, M.J., Wiebrands, K., Stange, D.E., FriasAldeguer, J., Rivron, N.C., van de Wetering, M., van Es, J.H., van Oudenaarden, A., et al. (2018). Troy+ brain stem cells cycle through quiescence and regulate their number by sensing niche occupancy. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 115, E610–E619.