在体细胞重编程获得新生神经元及其在脊髓损伤修复中的作用研究

Neuronal loss and reactive gliosis are pathological features at the lesion site after spinal cord injury (SCI) that ultimately lead to permanent sensory and motor dysfunction. Our preliminary results show that endogenous reactive astrocytes can be directly converted into neurons by ectopic expression of neurogenin2 (NGN2) and sex determining region Y-box11 (SOX11) in the injured adult mouse spinal cord. Although NGN2 is sufficient to convert cultured astrocytes to neurons, it requires SOX11 to synergistically reprogram the fate of endogenous glial cells in the adult spinal cord. The reprogramming process mediated by NGN2 and SOX11 is direct – it doesn’t pass through a proliferative progenitor state. Based on these very exciting findings, we hypothesize that cell fate reprogramming of reactive astrocytes into neurons will provide a strategy to remodel the pathological microenvironment by switching the fate of reactive glial cells for potential in situ repair of SCI. .In the present study,this hypothesis will be examined by analyzing the molecular and cellular basis underlying NGN2/SOX11-mediated fate reprogramming process, clarifying the maturation, subtype and function of these induced newborn neurons and examining the therapeutic efficacy of in vivo cellular reprogramming for neural regeneration in a mouse model of SCI. If the basic premise of this proposal is achieved, results from this study will have high impact on devising novel therapeutic strategy for SCI.

脊髓损伤修复是神经科学研究的一个重点和难点，损伤导致大量神经元不可逆丧失和局部神经环路破坏是造成严重脊髓神经功能障碍的主要原因。因此，在减轻继发性损伤的基础上,探索如何补充、替代这些丢失的神经元并重建局部神经环路是有效修复脊髓损伤的一个重要研究方向。在前期工作中，我们通过一系列的筛选，发现转录分子NGN2和SOX11能够将脊髓内星形胶质细胞高快速地诱导转分化为神经元,而且该转分化是一个直接的细胞重编程过程，不经过增殖的干细胞、前体细胞或Neuroblast等中间阶段。这些实验结果强烈提示，NGN2和SOX11能够在脊髓内快速而直接地诱导新生神经元，可能对脊髓损伤修复具有重要的作用。因此，进一步深入研究NGN2和SOX11在脊髓内的细胞重编程作用，分析其将星形胶质细胞转分化为神经元的具体过程，阐明该细胞重编程所得新生神经元的成熟能力、类型和功能，有可能寻找到能够有效促进脊髓损伤修复的新策略。

神经元不可逆性丢失和反应性胶质增生是脊髓损伤后病理反应的重要生物学事件，将破坏局部神经环路，最终导致永久性的感觉和运动功能障碍。因此，如果能够通过细胞重编程手段，在体内将这些过度活化的星形胶质细胞转分化为神经元，这不仅能够补充脊髓损伤时丢失的神经元，而且能减少胶质疤痕形成，从而有利于促进脊髓损伤再生修复。我们之前报道，转录因子SOX2能将成年小鼠脊髓内活化的星形胶质细胞重编程神经元(Su et al.，Nat Commn 2014)。然而，SOX2介导的细胞重编程需要经过一个增殖的Neuroblast中间阶段，有诱发肿瘤形成的风险。另外，SOX2诱导星形胶质细胞重编程获得神经元需要的时间比较长，这可能会错过脊髓损伤修复的最佳时间窗。在该项目研究中，我们发现转录因子NGN2和SOX11组合能够将成年小鼠损伤脊髓内的反应性星形胶质细胞快速、直接地重编程为神经元。虽然在体外单独使用转录因子NGN2就可以将原代培养的星形胶质细胞重编程为神经元；但是在成年小鼠脊髓内，转录因子NGN2需要SOX11的协同才能实现细胞重编程获得新生神经元。转基因小鼠细胞谱系示踪和细胞移植实验表明，转录因子NGN2和SOX11诱导脊髓内细胞重编程所得神经元来源于星形胶质细胞。细胞生物学分析证实，转录因子NGN2和SOX11介导的细胞重编程是一个直接的过程，不经过增殖的神经干/前体细胞中间阶段。在成年小鼠脊髓钳夹伤模型中，转录因子NGN2和SOX11也能诱导反应性星形胶质细胞重编程为神经元，它们主要是谷氨酸能神经元和γ-氨基丁酸能神经元。总之，这些研究结果为探索脊髓损伤再生修复新策略提供了重要的理论依据。