撰文 | Qi

神经干细胞（neural stem cells，NSCs） 在成年期主要储存在海马齿状回（dentate gyrus，DG） 和侧脑室室下区（ventricular-subventricular zone,V-SVZ） ，发育阶段的神经发生 （从胚胎发育中期到出生后第二周） 和成年阶段的神经发生 （从出生后第14天开始并持续一生） 之间存在明显差异。在大多数哺乳动物中已经观察到一种固定的模式，即DG中产生的新神经元数量在青少年阶段较高，但在成年阶段迅速下降并在之后维持在较低水平【1】，那么人类中是否也会发生类似的转变尚不清楚。

海马神经干细胞位于神经发生谱系的顶端，它们的数量也随着时间的推移而减少，因此，神经干细胞行为的改变很可能与成年期神经发生的转变有关。然而，关于成人海马神经干细胞的行为模式目前仍存在分歧：Encinas等人提出一种“一次性干细胞模型”，在这种模型中，离开静息期的NSCs通过一系列神经原性分裂，不再回到静息阶段，并最终分化为星形胶质细胞，进而导致NSC池的减少【2】；而Bonaguidi等人提出了一个截然相反的“长期自我更新”模型，其中许多神经干细胞在分裂后恢复至静息阶段，因此神经干细胞库仅随年龄略微下降【3】；此外，还有一种模型支持“干细胞行为异质性”，他们认为增殖性干细胞中促活化因子ASCL1的降解使这些细胞中的一部分能够回到静息阶段【4】。那么实际的神经干细胞行为符合哪种模型仍然未知。

近日，来自英国弗朗西斯克里克研究所的François Guillemot团队在CellStem Cell杂志上发表了一篇题为Coordinated changes in cellular behavior ensure the lifelong maintenance of the hippocampal stem cell population的文章，这项研究表明成年阶段干细胞数量的稳定是干细胞行为协调变化的结果，而干细胞行为的改变由促活化蛋白ASCL1翻译后降解增加所致。这些发现有助于调和目前相互矛盾的海马神经干细胞动力学模型，并可能是导致哺乳动物（包括人类）海马神经生成差异下降率的原因所在。

首先，作者研究了从幼年到老年小鼠的海马神经干细胞的细胞特性。0.5月龄小鼠的DG中神经干细胞快速下降，2月龄小鼠的神经干细胞数量减少了一半以上，在6、12和18月龄小鼠中已经达到更低的水平，但这种耗竭率并不与干细胞活性存在明显相关性。作者推断，在成年早期阶段增殖的神经干细胞可能获得不同的特性，这些特性在整个成年神经发生过程中起到延缓消耗和保护神经干细胞群的作用。作者使用EdU标记不同年龄小鼠的增殖的海马神经干细胞，并发现增殖的干细胞会逐渐获得恢复静息的能力 （下文称为resting NSCs） ，通过长期的自我更新以支持神经干细胞池的维持，而在此期间，从未增殖过的休眠神经干细胞 （下文称为dormant NSCs） 会随着时间推移，进入更深层的静息状态。

接下来，作者想知道恢复至“静息状态”和“逃避分化”能否为神经干细胞争取到更多的自我更新的机会。为此，作者建立一种基于H2B-GFP融合蛋白的标记系统的小鼠模型，其中融合蛋白会在细胞核中积累，随后通过Dox给药抑制，引起细胞分裂后GFP标签被稀释。作者发现在幼年小鼠中，64%的神经干细胞仅自我更新一次 （成年小鼠为50%） ，而12%的神经干细胞经历了三次或三次以上的自我更新分裂 （成年小鼠为28%） ，这一发现提示随着时间的推移，自我更新的增加是有助于成人神经干细胞库保存的另一种机制。

那么海马神经干细胞的年龄依赖性变化背后的分子机制是什么呢？首先，作者将标记NSCs的Nestin-GFP小鼠系与Ki67TD小鼠杂交 （Ki67TD-NES） ，对不同年龄的杂交小鼠注射tamoxifen，通过红色荧光不可逆地标记增殖细胞及其后代【5, 6】。通过流式分选和10x genomics测序证实年龄对神经干细胞静息状态的显著影响。进一步地分析scRNA-seq数据来比较差异表达基因，结果发现resting NSCs与脂质代谢相关的基因表达减少，提示静息程度较浅，因为神经干细胞需要新生脂肪生成和脂肪酸氧化来维持静息状态；与此同时，resting NSCs也表现出与退出静息状态相关的核糖体生物发生、mRNA加工和翻译延伸相关的基因表达增加，蛋白质生物合成途径的上调的变化；此外，与dormant NSCs相比，resting NSCs与维持静息状态相关的多个基因或途径，如Clu、Hopx、Notch2和Id4下调等。

继续回答上面的问题，作者提出转录因子ASCL1是促进神经干细胞特性变化的有力候选因子，诱导ASCL1表达已被证明为激活静息神经干细胞所必需，而ASCL1水平降低会使得增殖的干细胞重返静息状态。结合上述研究结果，是否意味着海马神经干细胞的性质变化可能反映了ASCL1的表达水平也随着年龄增长而逐渐降低？为此，作者检测了不同年龄的表达ASCL1-VENUS融合蛋白的小鼠神经干细胞中的ASCL1蛋白水平，结果显示ASCL1的蛋白减少与年龄增加直接相关。但是，Ascl1转录组水平并没有显著变化，可以推测这种年龄依赖性下降归结于翻译后调节的影响，故而检测了ASCL1的E3泛素连接酶HUWE1水平及活性。结果表明，HUWE1的表达和活性随着时间的推移而增加，从而降低ASCL1蛋白水平并介导相关的干细胞静息状态变化，进而在成年神经发生的过程中发挥保护NSCs库的作用。

总的来说，这项研究证明了神经干细胞特性的渐进性和协调性变化使得从“高水平的神经发生和干细胞耗竭”过渡到“低水平但可持续的神经发生和干细胞的自我更新状态增加”，并解释了这一现象背后的分子机制。虽然Huwe1转录上调和活性增加的机制尚不清楚，但已有研究证明HUWE1对ASCL1的泛素化与磷酸化状态相关，而成年和青少年阶段的神经干细胞中也存在诸多差异表达的磷酸酶和激酶，未来针对这方面的研究可能有助于深入了解从发育到成年神经发生过程中驱动海马神经干细胞行为变化的具体机制。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.01.003

制版人：十一

参考文献

1. Amrein, I. (2015). Adult hippocampal neurogenesis in natural populations of mammals. Cold Spring Harb.Perspect.Biol. 7, a021295.

2. Encinas, J.M., Michurina, T.V., Peunova, N., Park, J.H., Tordo, J., Peterson, D.A., Fishell, G., Koulakov, A., and Enikolopov, G. (2011). Division-coupled astrocytic differentiation and age-related depletion of neural stem cells in the adult hippocampus.Cell Stem Cell8, 566–579.

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.Cell145, 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.Science353, 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. USA115, E610–E619.