2024年7月18日，中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心方燕姍課題組、中國科學(xué)院廣州生物醫藥與健康研究院彭廣敦課題組和暨南大學(xué)李昂課題組合作，在Developmental Cell期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為“A spatiotemporal molecular atlas of mouse spinal cord injury identifies a distinct astrocyte subpopulation and therapeutic potential of IGFBP2”的最新論文。該研究利用空間轉錄組技術(shù)對急性損傷引起的脊髓中分子和細胞水平的復雜變化進(jìn)行了全面深入的梳理和分析，通過(guò)刻畫(huà)脊髓損傷?(spinal cord injury, SCI)后基因表達和分子變化的時(shí)空特征，以及繪制原位細胞互作網(wǎng)絡(luò )圖譜識別出一類(lèi)發(fā)生特定位置遷移的星形膠質(zhì)細胞亞群，并鑒定出該亞群的特征基因之一Insulin-like growth factor binding protein 2?(Igfbp2)，進(jìn)而揭示了SCI引起Igfbp2表達上調的細胞功能和潛在生物學(xué)意義。

成年哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統的再生能力非常有限，其損傷所造成的傷害大多不可逆、難以恢復。以SCI為例，SCI后可出現軸突退化、神經(jīng)元丟失、脫髓鞘、炎癥反應、巨噬細胞和免疫細胞浸潤、膠質(zhì)瘢痕生成等改變，從而導致永久性的運動(dòng)、感覺(jué)和自主神經(jīng)功能障礙，并伴有各種局部或全身并發(fā)癥。盡管SCI 的慢性期可持續數月至數年，但基因表達水平和分子編程中最主要、最劇烈、最紛繁蕪雜的改變則發(fā)生在損傷后的數小時(shí)至數天內。此外，基因表達和細胞響應的空間動(dòng)態(tài)變化在該時(shí)期也是最明顯的。故此，全面系統地在時(shí)間和空間維度下解析SCI急性期所發(fā)生的基因表達改變、分子調控程序和細胞響應機制對于理解SCI的病理過(guò)程和制定有效治療方案至關(guān)重要。

以往SCI表達圖譜和分子變化網(wǎng)絡(luò )的研究主要依賴(lài)單細胞或單核測序，但上述技術(shù)無(wú)法提供這些分子和細胞變化的空間位置信息和對應的解剖學(xué)注釋。同時(shí)，這類(lèi)技術(shù)受單細胞分離方法的局限，造成某些細胞類(lèi)別比如神經(jīng)元、星型膠質(zhì)細胞等的捕獲比例遠低于其生理狀態(tài)下的占比，導致最終測序數據和以此進(jìn)行的分析帶有很強的“生存者偏差”。近幾年，空間組學(xué)的出現和發(fā)展為彌補這些缺陷帶來(lái)了希望。在這篇新發(fā)表的論文中，研究人員以小鼠脊髓全橫斷模型為例，在SCI后的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)、距離損傷位點(diǎn)頭尾兩端的多個(gè)不同位置、對多個(gè)生物學(xué)重復的脊髓組織進(jìn)行了基于10xVisium的原位空間轉錄組測序（圖1A）。

通過(guò)對過(guò)濾后保留下來(lái)的超過(guò)22,800個(gè)空間位置點(diǎn)的數據進(jìn)行生物信息學(xué)整合分析，在組織結構被嚴重破損的情況下，通過(guò)空間分布和基因表達相似性仍然能夠準確定義出脊髓的解剖結構。該研究系統性地揭示了損傷后不同脊髓解剖區域、不同損傷時(shí)間以及損傷位點(diǎn)不同方向和距離處的基因表達動(dòng)態(tài)變化、共表達基因模塊以及轉錄調控網(wǎng)絡(luò )（圖1B）。更具創(chuàng )新意義的是，該團隊通過(guò)自主開(kāi)發(fā)空間轉錄組數據分析的新計算策略和工具，繪制出脊髓損傷后原位細胞-細胞交互?(spatial-aware cell-cell communication, SA-CCC) 的動(dòng)態(tài)圖譜（圖2），相比于傳統僅僅基于單細胞基因表達進(jìn)行細胞互作分析，整合細胞在空間上的臨近關(guān)系，降低了最終結果的假陽(yáng)性率。

通過(guò) SA-CCC細胞互作網(wǎng)絡(luò )分析，研究人員發(fā)現了一類(lèi)在SCI后從脊髓白質(zhì)遷移到脊髓灰質(zhì)的星型膠質(zhì)細胞亞群（圖1C）。接著(zhù)通過(guò)脊髓實(shí)質(zhì)注射和lineage tracing實(shí)驗，證實(shí)了SCI后這類(lèi)由白質(zhì)向灰質(zhì)定向遷移的星型膠質(zhì)細胞亞群的存在及其細胞來(lái)源（圖3），該團隊將其命名為“injury-induced, gray matter-relocated astrocytes (Astro-GMii)”。

研究人員通過(guò)整合空間轉錄組數據和已有的SCI單細胞/單核測序數據對Astro-GMii細胞的分子特征進(jìn)行了多水平、多維度的分析，從中鑒定出可以標記Astro-GMii并在SCI后特異性上調的特征基因之一Igfbp2。值得一提的是，通過(guò)空間轉錄組識別出某種特定細胞亞型或亞群后，可以對其位置信息進(jìn)行分子特征提取，獲得“位置指紋”。用這些位置指紋可以對已發(fā)表的單細胞數據進(jìn)行空間特征注釋和虛擬細胞分選（virtual cell?sorting）。例如，利用Astro-GMii的位置指紋對第三方發(fā)表的SCI單細胞數據進(jìn)行比對和分析，研究人員也鑒別到Astro-GMii亞群并利用這些數據進(jìn)一步分析了該亞群的分子演化過(guò)程，充分體現了空間位置特征這一維度對發(fā)掘細胞功能異質(zhì)性的重要作用（圖4）。

在后續工作中，通過(guò)原代星型膠質(zhì)細胞培養、原代神經(jīng)元培養以及conditioned medium共培養等實(shí)驗，研究人員揭示了高表達Igfbp2不僅可以促進(jìn)星型膠質(zhì)細胞的遷移、增殖和反應性，并且星型膠質(zhì)細胞可以分泌IGFBP2蛋白，后者作用在神經(jīng)元上可以促進(jìn)神經(jīng)軸突的生長(cháng)。最后，研究人員將IGFBP2蛋白和基質(zhì)膠制備成生物材料注射進(jìn)小鼠的SCI損傷部位后，損傷灶附近神經(jīng)元的存活得到了顯著(zhù)提高，并最終有效促進(jìn)了SCI小鼠的感覺(jué)和運動(dòng)功能的恢復（圖5）。

綜上所述，該工作通過(guò)全面深入的空間轉錄組分析建立了SCI交互式時(shí)空數據庫（https://spasi.ccla.ac.cn/），并完成了大量體內和體外的驗證實(shí)驗以及功能研究，不僅為理解受損脊髓的時(shí)空重組提供了豐富的資源和有用的生物信息分析工具，而且發(fā)現了具有SCI治療潛力的新分子IGFBP2蛋白，為今后進(jìn)一步推進(jìn)相關(guān)轉化研究和深入探尋IGFBP2神經(jīng)保護的作用機制奠定了基礎。

中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心博士研究生王澤清、中國科學(xué)院廣州生物醫藥與健康研究院博士研究生李竺霞和中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心博士研究生欒天樂(lè )為該文的共同第一作者。中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心方燕姍研究員、中國科學(xué)院廣州生物醫藥與健康研究院彭廣敦研究員和暨南大學(xué)李昂副研究員為共同通訊作者。

彭廣敦課題組在該工作中負責了所有數據分析和網(wǎng)站搭建，該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家及廣東省自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院廣州生物醫藥與健康研究院基礎研究項目和廣州國家實(shí)驗室重大項目的支持。

論文鏈接

圖1?小鼠SCI空間轉錄組實(shí)驗設計和數據分析概覽

圖2?細胞的空間原位互作分析

圖3?脊髓實(shí)質(zhì)注射和譜系追蹤證實(shí)Astro-GMii亞群來(lái)源于脊髓白質(zhì)的星膠細胞

圖4?基于“空間指紋”進(jìn)行單細胞亞群的虛擬分選

圖5?Astro-GMii細胞激活、遷移并表達分泌蛋白IGFBP2促進(jìn)神經(jīng)修復的示意圖