一 小膠質細胞在老齡化過程中起關鍵作用

老齡化是腦疾病發生的風險因素之一1。小膠質細胞是中樞神經系統（CNS）內的固有免疫細胞，在維持CNS穩態、突觸修剪2、神經元興奮性調控3及血腦屏障（BBB）維持4等多個過程中都起至關重要的作用。在機體老齡化的過程中，小膠質細胞持續監視CNS內環境的變化，并在遇到“危險”時迅速做出反應。研究表明老年個體腦內的小膠質細胞的監視及吞噬功能有下降趨勢5，功能異常的小膠質細胞會加劇神經退行性變，并引起神經元、少突膠質細胞等出現功能紊亂6。此外，小膠質細胞在接受免疫刺激時會形成免疫記憶，在第二次接受相似的免疫刺激時會形成更快速、更劇烈的免疫反應，這種現象稱為“啟動效應（priming）”7,8。由于老年腦內的小膠質細胞更有可能在早期生命進程中接受更多的免疫刺激，從而更易呈現出“primed”狀態。已有研究表明，“primed microglia”會加速阿爾茲海默癥腦內淀粉樣蛋白Aβ的聚集9。此外，α-突觸核蛋白引起的“microglial primed”會產生更多的促炎因子以及活性氧（ROS）10。

這些證據表明小膠質細胞與腦相關疾病存在密切關聯，系統性解析小膠質細胞的老齡化特征和并闡明老齡化小膠質細胞對機體的作用機制，對理解機體的衰老進程和腦疾病的發病機制至關重要。然而，小膠質細胞在老齡化過程中轉錄組和表觀遺傳的變化仍不完全清楚。彭勃/饒艷霞研究團隊繪制了小膠質細胞老齡化圖譜（衰老圖譜），并開發3xDR模型在非老齡化小鼠腦內引入老齡化的小膠質細胞，首次解析了單一類型細胞的衰老對機體的影響。

二 彭勃/饒艷霞團隊系統性解析小膠質細胞的老齡化進程，并開發3xDR模型，可以在非老齡化動物體內研究老齡化小膠質細胞

復旦大學腦科學轉化研究院彭勃團隊長期專注于小膠質細胞更替的研究。該團隊前期系列研究工作闡明了小膠質細胞在更替過程中死亡細胞碎片的清除機制（Nature Communications, 2022）11以及新生小膠質細胞的起源和遷移機制（ 圖1）（Nature Neuroscience, 2018和Cell Discovery, 2018）12,13，并以此為基礎開發了3種不同的小膠質細胞替換策略（ 圖1）（Cell Reports, 2020）14，為神經系統疾病提供了新的治療思路和可臨床實現的方案。此外，該團隊進一步發現NeuroD1可通過BCL2途徑介導小膠質細胞凋亡，提出可利用該途徑作為分子開關（switch-off control），增強小膠質細胞替換療法的安全性（Neuron, 2021）15（ 圖1）。該團隊在其前期研究的基礎上，利用多種研究手段，進一步解析了小膠質細胞的老齡化進程，并首次在非老齡化的動物腦內引入了老齡化細胞，為解析老齡化小膠質細胞對機體的影響提供重要研究手段。該研究成果以Transcriptional and epigenetic decoding of the microglial aging process為題于2023年9月11日發表在Nature Aging上（ 圖1-2）（Nature Aging, 2023）16。

圖1 彭勃團隊近年來圍繞小膠質細胞更替取得的代表性學術成果

圖2 論文首頁

彭勃/饒艷霞團隊首先通過RNA-seq檢測2至24月齡雄性和雌性小鼠的小膠質細胞轉錄組學特性。結果顯示不同性別小鼠的小膠質細胞展現出不同的老齡化進程。雌性小鼠的小膠質細胞隨年齡增加呈漸進性變化，表現出青年、中年和老年三個時期。而雄性小鼠的小膠質細胞則在8-12月齡時出現“斷崖式”的突變，立即從青年時期發展到老年狀態。此外，該團隊還發現有一類基因與年齡有密切的相關性，這類基因會隨年齡的增加持續上調/下調，彭勃團隊將這類與年齡密切相關的基因定義為Age-dependent microglia（ADEM）基因。其中隨著年齡持續上調的基因定義為P-ADEM基因，而隨著年齡持續下調的基因定義為N-ADEM。該團隊還進一步借助scRNA-seq技術以及ATAC-seq技術從更高分辨率的轉錄組學層面及表觀遺傳學層面對小鼠小膠質細胞在老齡化過程中的特性以及ADEM的有效性進行了驗證。結果顯示scRNA-seq的結果與RNA-seq的數據具有良好的一致性，且ADEM基因相關區域的染色質開放程度有明顯增加。

傳統的觀點認為老年腦內的“primed microglia”在經受第二次刺激時會產生更強的免疫反應8,17。然而，老年動物的小膠質細胞在經歷免疫刺激時在轉錄組學及表觀遺傳學層面是否會產生更激烈的改變尚不清楚。該團隊分別對青年、中年和老年的小鼠給予LPS刺激，并觀察不同年齡小鼠小膠質細胞在轉錄組學及表觀遺傳學層面的變化。與傳統認知不同，該團隊的研究結果表明老年小膠質細胞在LPS刺激下的響應要弱于青年小膠質細胞。

在既往的衰老研究中，是在老齡化的小鼠中研究具體的老齡化細胞的功能。然而機體的老齡化是復雜的，不同的老齡化細胞相互作用，所觀察到的現象是某類老齡化細胞與老齡化機體中其他老齡化細胞相互作用后的結果，難以解析單一類型細胞的老齡化對機體的影響。該研究團隊開發了3xDR模型，通過加速小膠質細胞更替，使小膠質細胞展現出老齡化狀態。該方法首次實現在非老齡化小鼠中引入了老齡化小膠質細胞，以此研究小膠質細胞這一單一細胞類型的老齡化對機體的影響。利用3xDR模型發現，小膠質細胞的老齡化能夠引起小鼠認知功能的衰退和皮層神經元的髓鞘丟失。

因此，彭勃/饒艷霞研究團隊繪制了小膠質細胞老齡化圖譜（衰老圖譜），并利用轉錄組學、表觀遺傳學、藥理學、組織學和行為學等多種研究手段，系統性解析了小膠質細胞的老齡化進程（ 圖3）。為幫助領域內研究人員獲取相關數據，彭勃/饒艷霞團隊建立了小膠質細胞圖譜網站（http://www.microgliatlas.com），可在該網站檢索本研究工作所獲取的組學數據（ 圖4）。

Nature Aging同期對該研究刊發了Research Briefing（研究簡報），加拿大維多利亞大學Marie-ève Tremblay教授撰寫評論，認為該研究非常有價值，增進了人們對小膠質細胞老齡化及其如何影響記憶的理解（This represents a highly relevant paper that improves our understanding of microglial aging and its impact on memory）。

圖3 本研究主要結論的總結圖

圖4 小膠質細胞圖譜網站（http://www.microgliatlas.com）

復旦大學彭勃和饒艷霞教授是本論文的通訊作者，直博生李小鈺同學為第一作者，團隊成員李雨欣、金玉曉、張煜恒、吳精川、徐臻、黃玉斌、蔡霖、高帥、劉陶慧、曾凡卓、王亞飛和王文旭共同參與。本研究得到了復旦大學/浙江大學段樹民院士、復旦大學舒友生教授、郭非凡教授、陸巍教授、上海市精神衛生中心袁逖飛教授、上海市第六人民醫院田恒力教授等學者的幫助。該研究在腦科學與類腦研究（中國腦計劃）重大研究計劃、國家自然科學基金、教育部科技領軍人才團隊、上海市基礎研究學術特區、上海市曙光計劃、上海市優秀學術帶頭人等項目的資助下完成。論文全文https://www.nature.com/articles/s43587-023-00479-x。

彭勃課題組目前有青年研究員（教授）、青年副研究員（副教授）、博士后和實驗室管家等崗位，歡迎對科研充滿熱情且胸懷學術理想的科研人員/同學加入。申請人請將一份詳細的個人完整簡歷（中英文皆可）通過電子郵件發送至peng@fudan.edu.cn，郵件標題請注明姓名+應聘職位。青年研究員、青年副研究員和博士后應聘者請提供2~3位推薦人的聯系方式。

通訊作者彭勃教授介紹：

國家優青，Elsevier（愛思唯爾）中國高被引學者，科技創新2030腦科學與類腦研究（中國腦計劃）重大項目首席科學家，教育部科技領軍人才團隊負責人、上海市曙光學者、優秀學術帶頭人（青年），博士生導師，腦科學轉化研究院院長助理。2004至2008年就讀于華中科技大學生物技術專業，獲學士學位。2008至2011年在中國科學院神經科學研究所學習神經生物學。2015年畢業于香港大學，獲博士學位。2015年12月，在中國科學院深圳先進技術研究院組建獨立的神經免疫學實驗室，擔任課題組長（PI）。2019年9月加入復旦大學。

主要關注中樞神經系統內小膠質細胞的更替（包括細胞的衰老、死亡和再生等）、細胞重編程，以及在多種神經退行性病變中以小膠質細胞替換為思路開展干預和治療的全新策略。此外，課題組關注小膠質細胞在中樞神經系統穩態維持中的相關機理。自獨立以來，主要成果以最后通訊作者發表在Nature Neuroscience, Nature Aging, Neuron, Cell Reports和Nature Communications等重要刊物上，參與起草了小膠質細胞全球專家共識聲明，擔任2023年歐洲膠質細胞大會的程序委員會委委員。彭勃課題組的研究工作入選Nature Reviews Immunology評選的2018年度神經免疫學進展（Year In Review: Neuroimmunology 2018），全球共5個工作入選。自2020年起，彭勃被ELSEVIER（愛思唯爾）連續評為中國高被引學者。此外，彭勃在包括Neuron, Nature Neuroscience, Nature Aging, Immunity和Cell Stem Cell在內的多個重要學術刊物擔任特邀審稿人。

附：彭勃課題組近幾年發表的代表性論文

(1) Li X., Li Y., Jin Y., Zhang Y., Wu J., Xu Z., Huang Y., Cai L., Gao S., Liu T., Zeng F., Wang Y., Wang W., Yuan T.-F., Tian H., Shu Y., Guo F., Lu W., Mao Y., Mei X., Rao Y.* and Peng B.*(2023) Transcriptional and epigenetic decoding of the microglial aging process. Nature Aging.

(2) Rao Y.*, Du S., Yang B., Wang Y., Li Y., Li R., Zhou T., Du X., He Y., Wang Y., Zhou X., Yuan T.-F.*, Mao Y.* and Peng B.*(2021) NeuroD1 induces microglial apoptosis and cannot induce microglia-to-neuron cross-lineage reprogramming, Neuron, 109.

(3) Huang Y.#, Xu, Z.#, Xiong S., Sun F., Qin G., Hu G., Wang J., Zhao L., Liang Y.-X., Wu T., Lu Z., Humayun M.S., So K.-F., Pan Y., Li N., Yuan T.-F.*, Rao Y.* and Peng B.*(2018). Repopulated microglia are solely derived from the proliferation of residual microglia after acute depletion. Nature Neuroscience 21, 530-540.

(4) Xu Z.#, Rao Y.#, Huang Y., Zhou T., Feng R., Xiong S., Yuan T.F., Qin S., Lu Y., Zhou X., Li X., Qin B., Mao Y., and Peng B.*(2020). Efficient strategies for microglia replacement in the central nervous system. Cell Reports 32, 108041.

(5) Zhou T., Li Y., Li X., Zeng F., Rao Y., He Y., Wang Y., Liu M., Li D., Xu Z., Zhou X., Du S., Niu F., Peng J., Mei X., Ji S.-J., Shu Y., Lu W., Guo F., Wu T., Yuan T.-F., Mao Y. and?Peng B.*(2022) Microglial debris is cleared by astrocytes via C4b-facilitated phagocytosis and degraded via RUBICON-dependent noncanonical autophagy in mice. Nature Communications.

(6) Huang Y.#, Xu Z.#, Xiong S., Qin G., Sun F., Yang J., Yuan T.F., Zhao L., Wang K., Liang Y.X., Fu L., Wu T., Lu Z., So K.F., Rao Y.* and Peng B.*(2018) Dual origins of retinal microglia in the model of microglia repopulation. Cell Discovery 4, 9.

(7) Niu F., Han P., Zhang J., She Y., Yang L., Yu J., Zhuang M., Tang K., Shi Y., Yang B., Liu C., Peng B.* and Ji S.-J.* (2022) The m6A reader YTHDF2 is a negative regulator for dendrite development and maintenance of retinal ganglion cells. eLife 11, e75827.

參考文獻

1. Hou, Y. et al. Ageing as a risk factor for neurodegenerative disease. Nat Rev Neurol 15, 565-581 (2019).

2. Hong, S., Dissing-Olesen, L. & Stevens, B. New insights on the role of microglia in synaptic pruning in health and disease. Curr Opin Neurobiol 36, 128-34 (2016).

3. Badimon, A. et al. Negative feedback control of neuronal activity by microglia. Nature(2020).

4. Ronaldson, P.T. & Davis, T.P. Regulation of blood-brain barrier integrity by microglia in health and disease: A therapeutic opportunity. J Cereb Blood Flow Metab 40, S6-S24 (2020).

5. Safaiyan, S. et al. White matter aging drives microglial diversity. Neuron(2021).

6. Shahidehpour, R.K. et al. Dystrophic microglia are associated with neurodegenerative disease and not healthy aging in the human brain. Neurobiol Aging 99, 19-27 (2021).

7. Perry, V.H. & Holmes, C. Microglial priming in neurodegenerative disease. Nat Rev Neurol 10, 217-24 (2014).

8. Norden, D.M., Muccigrosso, M.M. & Godbout, J.P. Microglial priming and enhanced reactivity to secondary insult in aging, and traumatic CNS injury, and neurodegenerative disease. Neuropharmacology 96, 29-41 (2015).

9. Krstic, D. et al. Systemic immune challenges trigger and drive Alzheimer-like neuropathology in mice. Journal of Neuroinflammation 9, 151 (2012).

10. Codolo, G. et al. Triggering of inflammasome by aggregatedα-synuclein, an inflammatory response in synucleinopathies. PLoS One 8, e55375 (2013).

11. Zhou, T. et al. Microglial debris is cleared by astrocytes via C4b-facilitated phagocytosis and degraded via RUBICON-dependent noncanonical autophagy in mice. Nat Commun 13, 6233 (2022).

12. Huang, Y. et al. Repopulated microglia are solely derived from the proliferation of residual microglia after acute depletion. Nature Neuroscience 21, 530-540 (2018).

13. Huang, Y. et al. Dual extra-retinal origins of microglia in the model of retinal microglia repopulation. Cell Discov 4, 9 (2018).

14. Xu, Z. et al. Efficient strategies for microglia replacement in the central nervous system. Cell Rep 32, 108041 (2020).

15. Rao, Y. et al. NeuroD1 induces microglial apoptosis and cannot induce microglia-to-neuron cross-lineage reprogramming. Neuron 109, 4094-4108.e5 (2021).

16. Li, X. et al. Transcriptional and epigenetic decoding of the microglial aging process. Nature Aging(2023).

17. Niraula, A., Sheridan, J.F. & Godbout, J.P. Microglia Priming with Aging and Stress. Neuropsychopharmacology 42, 318-333 (2017).