感覺神經通過調節BMP/TGF-β信號通路在保持顱縫通暢中的作用
北京時間2021年10月4日，瑞典卡羅琳醫學院宣布，將2021年諾貝爾生理學或醫學獎授予David J. Julius和Ardem Patapoutian，以表彰他們在痛覺和觸覺領域研究方面所作出的貢獻。兩位獲獎者闡明了感官與環境之間復雜相互作用的關節環節，這些突破性的發現開啟了關于痛覺和觸覺領域研究的大門，使得人們對神經系統如何感知熱、冷和機械刺激的理解迅速增加。
今天SBC小編結合諾獎最新熱點，與大家分享一篇10月19日發表于著名SCI雜志PNAS上的文章。文章作者通過空間轉錄組學揭示了感覺神經通過調節BMP/TGF-β信號通路在保持顱縫通暢中的作用。
IF ：11.205 doi: 10.1073/pnas.2103087118.
摘要
感覺神經支配骨骼，是正常骨骼發育所必需的，但神經發揮這些基本功能的分子機制仍不清楚。本研究發現發育中顱骨里的原肌球蛋白受體激酶A(TrkA)感覺神經支配的遺傳抑制導致顱頂縫過早閉合，與縫中間充質祖細胞（MPC）增殖減少和礦化增加有關。在體外，野生型小鼠背根神經節(DRGs)來源的外周傳入神經元的軸突在微流室中共培養時，通過一種可溶性因子誘導MPC以空間受限的方式增殖。體內顱縫的比較空間轉錄組分析證實感覺軸突和增殖性MPCs之間存在正相關。發育中縫的SpatialTime分析揭示骨形態發生蛋白（BMP）和TGF-β信號通路轉錄本在TrkA抑制下發生區域特異性變化。背根神經節軸突與MPC共培養后對背根神經節進行RNA測序確認到BMP/TGF-β信號通路轉錄本的改變。這些轉錄本中，FSTL1復制了神經-骨骼影響的關鍵特征，包括通過抑制BMP/TGF-β信號的促有絲分裂和抗骨形成效應。綜上所述，包括FSTL1的感覺神經元來源的信號通過調控縫間充質中MPC增殖和分化來發揮協調顱骨構型的作用。主要結論
（一）TrkA感覺神經支配顱骨是維持縫通暢的必要條件
TrkA信號對于維持顱縫通暢至關重要：
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TUBB3免疫組化染色顯示NGF-eGFP報告動物矢狀縫的顱頂全覆蓋圖像。（比例尺，500μm）
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TUBB3免疫組化染色顯示NGF-eGFP報告動物冠狀縫和人字縫的的顱頂全覆蓋圖像。（比例尺，100μm）
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P0矢狀縫冠狀面TUBB3染色。（比例尺，100μm）
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OF或中部（Mid）縫間充質內TUBB3+ 神經區域的量化。n=4到5只小鼠/基因型。
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在受孕時開始的1NMPP1治療后P0時間點進行顱頂的整體骨骼染色（自上而下）。Oc，枕骨，Pa，頂骨。
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對照（Cont）和TrkAF592A小鼠的額后縫和矢狀縫的平均縫線寬度。n=5到9只小鼠/基因型。
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從P6開始，1NMPP1治療后，P21顱頂（自上而下視圖）和矢狀縫（冠狀橫截面）的Micro-CT重建。下面的數字表示矢狀縫的平均寬度。
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Cont和TrkAF592A小鼠矢狀縫閉合百分率。
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側面頂骨之間相對于前后位置的二維平均縫寬。N=7只小鼠/基因型。圖中代表平均值±SD，*P<0.05，**P<0.01。
TrkA+感覺神經通過空間受限的分泌配體促進顱縫的增殖擴張：
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擴散和對照（Cont）和TrkAF592A突變動物的P0矢狀縫的增殖和神經支配，通過EdU標記和TUBB3免疫組化染色可視化。（比例尺，200μm）
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在Cont和TrkAF592A突變動物中對OF或中部（中）縫間充質中的EdU摻入進行定量研究。（比例尺，50μm）n=4。
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使用微流控設備直接與DRG軸突共培養后原代MPCs的增殖，其中腔室通過微通道連接。（比例尺，10μm）TUBB3免疫組化染色觀察軸突。
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相對于最近的DRG軸突的EdU+ MPCs的空間分布。n=4。
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用DRG衍生的神經條件培養基（CM）處理后MPCs中EdU標記的定量。n=4（比例尺，25μm）
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在Cont和TrkAF592A突變顱頂中發育頂骨的MAR。n=8。圖表代表平均值±SD、*P<0.05、**P<0.01和***P<0.001。
（二）縫的比較空間轉錄組分析表明TGF-β/BMP通路的改變
體內空間轉錄組學證實了TrkAF592A小鼠矢狀縫中增殖標志物的衰減：
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Tubb3表達的空間特征圖和縫復合體定量分析。
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對照組（Cont）和TrkAF592A小鼠矢狀縫spots內的細胞周期基因Ccna2和預測細胞周期階段評分。
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用SpatialTime分析具有代表性的顱骨縫spots。
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使用已知的縫/祖細胞（頂部）和成骨（底部）標志物驗證SpatialTime分析。n=5到7只小鼠/基因型。
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SpatialTime中細胞周期評分的變化。與中部（Mid）縫、OF和側面頂骨（Bone）對齊的相對SpatialTime區域在圖上表示。
空間轉錄組學表明TrkAF592A 顱頂中BMP/TGF-β 信號傳導中斷：
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BMP信號模塊在對照（Cont）和TrkAF592A顱頂之間評分的小提琴圖和空間表達數據，包括BMP激活子、BMP抑制子和整體BMP信號。
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在Cont和TrkAF592A顱頂中SpatialTime的BMP激活子和抑制子基因表達的熱圖。
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基于Cont和TrkAF592A顱頂從中部（Mid）縫到側面頂骨（Bone）的SpatialTime模塊評分確認總體BMP激活。與中部縫、OF和側翼骨對齊的相對SpatialTime區域在圖上表示。n=5到7只小鼠/基因型。
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典型的BMP信號檢測，通過免疫熒光染色檢測矢狀縫和骨的冠狀橫截面的p-SMAD1/5/9來確認。（比例尺，200μm）
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Cont和TrkAF592A顱頂TGF-β信號模塊的小提琴圖和空間表達評分，包括TGF-β激活子、TGF-β抑制子和TGF-β信號整體。
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TGF-β激活因子和抑制因子基因在Cont和TrkAF592A顱頂SpatialTime表達的熱圖。
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基于Cont和TrkAF592A顱頂從中部（Mid）縫到側翼骨的SpatialTime模塊評分確認總體 TGF-β激活。與中部縫、OF和側翼骨對齊的相對SpatialTime區域在圖上表示。n=5到7只小鼠/基因型。
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典型的BMP信號檢測，通過免疫熒光染色檢測矢狀縫和骨的冠狀橫截面的p-SMAD2來確認。（比例尺，200μm）
（三）感覺神經源性FSTL1功能維持MPCs處于增殖、未分化狀態
FSTL1由TrkA+感覺神經分泌，調節MPC的增殖和分化：
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E18.5顱頂骨駐留細胞和腰椎DRG神經元合并的scRNAseq數據集的UMAP投影。
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類群marker基因小提琴圖。
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相對于其他細胞群，DRG神經元中候選分泌因子富集表達。
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DRG細胞分成不同的神經亞型。PEP，肽能型傷害感受器;TH，含酪氨酸羥化酶;NP, 非肽能型傷害感受器;和NF,神經絲。
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DRG亞群marker基因小提琴圖。
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PEP和NP神經亞型中TrkA（由Ntrk1編碼）表達的特征和小提琴圖。
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小提琴圖顯示候選基因在不同神經亞型中的表達。
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在對照DRG細胞體或與MPCs直接軸突共培養后，在TrkA+神經亞型中富集表達的候選基因。
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rmFSTL1（250 ng/mL）處理48h后MPCs的增殖情況。
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有或沒有rmFSTL1的早期成骨誘導后基因表達。虛線表示成骨誘導第0天獲得的值。
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使用或不使用rmFSTL1（250 ng/mL）的成骨分化21d后的MPCs進行茜素紅（AR）染色和定量。n=4。
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使用新鮮神經培養基、非靶向培養基（NT CM）或Fstl1靶向培養基（KD CM）siRNA處理后MPCs的增殖，n=3。圖形代表平均值±SD，*P< 0.05，**P<0.01 ***P<0.001。a.u：任意單位，EC：內皮細胞。
討論
骨縫是由擴張的祖細胞增殖和沿骨板向內閉合礦化的平衡維持的。TrkA+感覺神經，通過NGF引導至顱縫，分泌FSTL1等因子，調節祖細胞的激活和擴張，抑制BMP介導的終末分化。TrkA抑制損傷感覺神經，減少縫間充質擴張，導致縫過早閉合。
