Notch、ERK和SHH信号通路在皮质胶质细胞和嗅球中间神经元命运决定中的作用

学术背景

皮质发育过程中，神经发生（neurogenesis）和胶质发生（gliogenesis）是紧密相连的两个阶段。神经发生主要产生神经元，而胶质发生则产生胶质细胞，包括星形胶质细胞（astrocytes）和少突胶质细胞（oligodendrocytes）。在人类大脑皮质中，胶质细胞的数量是神经元的三倍，表明胶质细胞在脑功能中扮演着重要角色。然而，皮质神经发生向胶质发生转变的分子机制，以及胶质细胞命运决定的调控机制，尚不完全清楚。此前的研究表明，Notch、ERK（细胞外信号调节激酶）和SHH（Sonic Hedgehog）信号通路在神经发育中起关键作用，但它们如何具体调控胶质细胞命运决定仍需进一步探索。

论文来源

本论文由来自复旦大学附属中山医院神经内科、美国加州大学圣克鲁兹分校分子、细胞与发育生物学系以及四川大学华西医院神经外科的研究团队共同完成。论文于2025年2月25日发表于《PNAS》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America），论文题目为“Notch, ERK, and SHH signaling respectively control the fate determination of cortical glia and olfactory bulb interneurons”。

研究流程与结果

1. 研究流程

研究分为以下几个主要步骤：

a) ERK信号在皮质胶质发生中的作用

• 实验对象：使用小鼠模型，通过基因编辑技术删除ERK信号通路的核心基因MAP2K1和MAP2K2，构建了ERK信号缺失的小鼠模型（emx1-cre; map2k1/2-dcko）。
  
• 实验方法：在小鼠胚胎期（E18.5）注射荧光标记物（Flashtag）以标记皮质祖细胞，随后通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析皮质细胞的基因表达谱。
  
• 实验结果：ERK信号缺失导致皮质放射状胶质细胞（radial glial cells, RGCs）数量显著减少，且未能生成三潜能中间祖细胞（tri-IPCs），进而导致星形胶质细胞、少突胶质细胞和嗅球中间神经元的生成受阻。
  

b) Notch信号在星形胶质细胞命运决定中的作用

• 实验对象：通过基因编辑技术删除Notch信号通路的核心转录因子RBPJ，构建了Notch信号缺失的小鼠模型（hgfap-cre; rbpjf/f）。
  
• 实验方法：通过免疫组化检测皮质祖细胞和胶质细胞的标志物表达。
  
• 实验结果：Notch信号缺失导致星形胶质细胞的生成显著减少，同时少突胶质细胞的生成增加，表明Notch信号在星形胶质细胞命运决定中起关键作用。
  

c) SHH信号在嗅球中间神经元命运决定中的作用

• 实验对象：通过基因编辑技术删除SHH信号通路的核心基因SMO，构建了SHH信号缺失的小鼠模型（hgfap-cre; smof/f）。
  
• 实验方法：通过体内电转技术（in utero electroporation）过表达SHH信号通路的关键基因（如Gli2a），并检测皮质祖细胞的基因表达谱。
  
• 实验结果：SHH信号缺失导致嗅球中间神经元的生成受阻，而过表达Gli2a能够显著促进嗅球中间神经元的生成。
  

2. 主要结果

• ERK信号：ERK信号在皮质胶质发生中起关键作用，其缺失导致胶质发生受阻，皮质祖细胞无法生成三潜能中间祖细胞。
  
• Notch信号：Notch信号在星形胶质细胞命运决定中起关键作用，其缺失导致星形胶质细胞生成减少，少突胶质细胞生成增加。
  
• SHH信号：SHH信号在嗅球中间神经元命运决定中起关键作用，其缺失导致嗅球中间神经元生成受阻。
  

3. 结论与意义

本研究揭示了Notch、ERK和SHH信号通路在皮质胶质细胞和嗅球中间神经元命运决定中的关键作用，阐明了皮质神经发生向胶质发生转变的分子机制。研究不仅深化了对皮质发育的理解，还为相关神经系统疾病的治疗提供了潜在靶点。

4. 研究亮点

• 重要发现：首次系统阐明了Notch、ERK和SHH信号通路在皮质胶质细胞命运决定中的具体作用。
  
• 方法创新：通过基因编辑技术和单细胞RNA测序，精确解析了皮质祖细胞的分化过程。
  
• 应用价值：研究结果为神经系统疾病的治疗提供了新的思路，特别是针对胶质细胞相关疾病（如胶质瘤）的治疗策略。
  

5. 其他有价值信息

本研究发现，人类和小鼠的皮质胶质发生具有高度保守的分子机制，表明这一机制在哺乳动物进化中具有普遍性。此外，研究还揭示了SHH信号与ERK信号在皮质发育中的相互作用，为理解信号通路的协同调控提供了新的视角。

总结

本研究通过系统解析Notch、ERK和SHH信号通路在皮质胶质细胞命运决定中的作用，揭示了皮质发育的分子机制，为神经系统疾病的研究和治疗提供了重要理论依据。研究的创新性和应用价值使其成为神经发育领域的重要进展。