巴塞尔大学发现成体海马区神经干细胞静息状态维持的关键

2019年8月6日，来自瑞士巴塞尔大学的Verdon Taylor实验室 （第一作者为张润瑞博士）在Cell Reports 杂志上在线发表封面文章Id4 Downstream of Notch2 Maintains Neural Stem Cell Quiescence inthe Adult Hippocampus。他们通过在不同成体小鼠模型中对海马区神经干细胞及其子代的命运进行了一系列的追踪分析，并比较了野生型和突变型的神经干细胞中的基因表达情况，发现了Id4作为Notch2 信号通路直接调控的靶基因，能够与下调的细胞周期相关基因一起共同维持海马区成体神经干细胞的静息状态，调控神经干细胞库激活和静息的动态平衡。

研究人员通过诱导表达Hes5基因启动子驱动的Cre重组酶在神经干细胞中特异性地敲除Notch2 或过表达Notch2 胞内结构域（Notch2ICD），以此模拟Notch2 信号通路的缺失或持续激活状态来研究Notch2 在成年小鼠海马神经发生过程中的功能。他们通过报告基因和标志蛋白免疫荧光的方法追踪了Notch2敲除和过表达后不同时间点神经干细胞及其子代细胞的命运后发现，Notch2 蛋白的缺失在短时间内会促进静息态神经干细胞的激活，增加神经前体细胞和新生神经元的数量，促进神经发生;但长时间的缺失会导致神经干细胞库的快速消耗，最终损害神经发生。相反地，如果在神经干细胞中持续表达Notch2 胞内结构域，绝大多数的神经干细胞将维持在静息状态，抑制神经干细胞的增殖和成体神经发生。有意思的是，在老年小鼠神经干细胞中敲除Notch2，能够在短时间内有效的促进神经前体细胞和新生神经元的产生，一定程度上恢复了在该年龄阶段已经衰退的神经发生。

研究人员进一步通过比较从海马区分离得到的Notch2 缺失和野生型的神经干细胞的基因表达谱发现，许多和细胞周期及细胞激活相关的基因在Notch2敲除后发生了显著的上调，而与干细胞静息相关的基因则表达明显降低，进一步印证了之前观察到的表型。相反地，在Notch2ICD过表达的神经干细胞中除了Notch 信号通路的经典靶基因Hes5之外，Id4基因也发生了非常显著的上调。通过染色质免疫共沉淀（ChIP）实验证实了Notch2ICD-Rbpj复合物与Id4 启动子区的结合，确认了Id4是直接受到Notch2 调控的靶基因。

Id4蛋白的全称是Inhibition of DNA binding protein 4,是Id 蛋白家族的成员之一，在神经发育的早期有抑制细胞分化的功能。在已发表的高通量测序数据中，Id4在静息的神经干细胞中有较高水平的表达，但其在成体神经干细胞中的功能尚未被报道。实验表明，在体外培养的神经干细胞中过表达Id4能够阻滞细胞周期，降低细胞增殖;并且在Notch2ICD过表达的神经干细胞中敲低Id4能够减弱Notch2ICD对神经干细胞增殖的抑制。在小鼠海马中，Notch2 的敲除会引起Id4阳性的神经干细胞数量降低，Notch2ICD过表达则能够维持Id4阳性的神经干细胞数量。为了进一步确认Id4在成年小鼠海马中的功能，研究人员还通过在Id4锚定小鼠的海马区原位注射携带有GFAP启动子驱动的Cre重组酶腺病毒对Id4在体内的神经干细胞中进行条件敲除。敲除结果表明，Id4 的缺失的确能够促进神经干细胞的激活和增殖，但在短时间内（21天）并没有像Notch2的缺失一样迅速增加神经前体细胞和新生神经元的数量。而如果将高表达Id4的慢病毒原位注射到野生型小鼠的海马区，则会维持并促进神经干细胞向星型胶质细胞转化，抑制神经元细胞的产生。

综上所述，该研究通过详实的数据证明Notch2-Id4信号对于成年小鼠海马区神经干细胞的静息状态的维持有着重要作用。这一作用的实现主要依赖于Notch2 能够抑制成体神经干细胞中细胞周期相关基因的表达，同时促进Id4基因的表达。而适量的Id4蛋白能够阻止神经干细胞的过度活化增殖，促使神经干细胞保持静息状态。有意思的是，与Notch2 相比，Id4 对于神经干细胞命运的调控更为特异，主要作用于神经干细胞由静息向激活的转化，而对后续的神经元分化并无显著的促进作用，实现了神经干细胞增殖和分化的解偶联。该研究工作为我们提供了小鼠海马成体神经干细胞命运是如何受到精确调控的新机制，也为如何维持成体神经干细胞库的稳态和对抗随年龄退化的神经发生提供了新的思路。

研究背景

神经干细胞是神经发生的基础。神经干细胞库的维持不但对大脑的早期发育有着至关重要的作用，而且也与成年阶段大脑功能的正常行使密切相关。在大脑发育的早期，大量的神经干细胞非常活跃地增殖，分化，迁移，整合，形成具有复杂结构和功能的大脑皮层；但到了成年阶段，神经干细胞的数量大幅减少，神经发生的规模也急剧下降，并且只存在于特定的大脑区域内。以成年小鼠的大脑为例，神经干细胞主要存在于大脑的侧脑室区域（SVZ）和海马齿状回亚颗粒层区域（SGZ）。在这两个区域，绝大多数的神经干细胞处于不分裂的静息状态，当自身或环境的信号发生变化时，能够响应这些变化而被激活，从新进入细胞周期，启动后续一系列神经发生的过程。成年海马区的神经发生被证明与场景分辨，空间学习记忆，抑郁等认知和情绪调节密切相关，也与帕金森和阿尔茨海默等神经退行性性疾病有一定关联。在成年小鼠海马区，树形放射状的静息的神经干细胞被神经元所围绕，它们作为静息干细胞的状态是如何得到维持的？ 又是如何响应自身或外界的环境信号而进一步增殖，分化，迁移和整合到神经环路当中去发挥神经元的功能的？其中有很多问题并不清楚，值得进一步研究探索。