大脑不同部位神经干细胞的激活及谱系分化的调控机制

Neurogenesis, the proliferation and differentiation of neural stem cell, plays important regulatory roles in nervous development, maintenance of homeostasis and repair of neural damage. We found previously that CD133 positive neural stem cells exist in brain of mice, including ependyma latera ventricular, ependyma third and fourth ventricle. By single-cell whole transcriptome analysis, we found CD133 positive cells were a mixture of largely heterogeneous individual cells, including quiescent and active state cell types. In this project, we will trace CD133 positive neural stem cell-derived cell lineages in different neuroanatomical regions of adult mouse brain by using transgenic mice build previously, and analyze the gene expression profiles of quiescent and active state adult neural stem cells in different neuroanatomical regions of adult mouse brain by single-cell whole transcriptome analysis. Understanding pronounced trends of maintenance of quiescent state, activation or differentiation of neural stem cell and their potential regulatory factors and networks will provide valuable insight into the molecular mechanisms of repair and therapy of nerve injury.

神经干细胞的增殖与分化是神经发生的基础，对于神经系统的发育、神经组织稳态的维持和损伤的修复起着重要作用。我们在前期研究中发现，小鼠大脑中存在CD133阳性神经干细胞，这类细胞在SVZ区、第3脑室和第4脑室的室管膜区域均有分布。通过单细胞深度测序，我们发现SVZ区的CD133阳性神经干细胞是一类异质性的细胞群体，存在静息状态和不同激活状态的细胞类型。本研究拟采用我们前期构建的可追踪CD133阳性神经干细胞分化谱系的转基因小鼠分析大脑不同部位CD133阳性神经干细胞的激活和分化谱系，采用单细胞表达谱技术研究不同部位神经干细胞静息状态、激活状态和分化过程中表达谱的特征和动态变化规律，揭示神经干细胞静息状态维持与激活、向不同类型神经细胞分化的调控网络，鉴定关键调控因子。本项目的实施不仅对阐明神经干细胞激活和谱系分化的调控机制具有重要作用，而且对于神经损伤的内源性修复及治疗也有指导意义。

本项目系统分析了CD133阳性神经干细胞在大脑中的分布规律、增殖和分化的分子机制。研究发现，大脑的室管膜区是CD133阳性神经干细胞的集中分布区。室管膜区的神经干细胞在脑损伤情况下被激活，分化成神经元和胶质细胞。大脑不同部位神经干细胞向神经元的分化包括逐步分化和直接分化等多种模式。采用单细胞测序技术对神经干细胞分化谱系示踪小鼠大脑的ZsGreen标记细胞进行表达谱分析，明确了侧脑室、第3脑室、第4脑室室管膜区神经干细胞表达谱的分子特征，发现大脑同一区域和不同区域的神经干细胞都存在异质性。本项目解析了CD133阳性神经干细胞分别向神经元谱系和胶质细胞谱系分化过程中转录组的动态变化规律。通过对不同部位干细胞的比较分析，揭示了调控神经干细胞干性维持与激活、神经元分化、星形胶质细胞分化和少突胶质细胞分化的蛋白质-非编码RNA分子网络，揭示了调控干细胞激活与分化的分子机制。本项目还研究了一些重要的lncRNA在调控干细胞干性维持和分化过程中的作用，发现低表达CCDC144NL-AS1能够调控人多能性干细胞向类似原始态多能性干细胞方向转变。这些研究成果丰富了人们对神经干细胞激活、增值和分化的认知，对于建立基于外源因子干预促进内源性神经干细胞增殖和分化的神经损伤治疗新技术具有重要意义。