发现小脑中的神经祖细胞停止分裂并最终分化为神经元的新机制

小脑中的颗粒细胞祖细胞：增殖和未分化的细胞是如何协调调节的?

国家神经学和精神病学中心(NCNP)6月4日宣布发现了一种新机制，即神经祖细胞和干细胞在未分化状态下反复分裂，如何停止分裂并最终分化成神经元。 这项研究是由NCNP神经研究所病理生理学和生物化学部的Mikio Hoshino博士和Satoshi Miyashita博士领导的研究小组进行。 该研究结果已发表在《EMBO杂志》上。

在大脑的发育阶段，神经祖细胞(或神经干细胞)反复增殖，产生神经元。 神经祖细胞是未分化的(不成熟的)和增殖的，而神经元是分化的，不再是增殖的。然而，在大脑发育过程中，同时调节这些 "未分化 "和 "增殖 "细胞的机制还没有被很好地理解。

为了接近这个开放的问题，该研究小组将小脑作为一个模型系统。 小脑中的颗粒细胞是兴奋性神经元，数量众多，占中枢神经系统中所有神经元的50%以上。 这些神经元是由增殖和未分化的神经祖细胞产生的，称为颗粒细胞祖。 当这些祖细胞的增殖潜力极高时就会变成癌症，而增殖不足则会导致小脑功能障碍。换句话说，为了使小脑正常运作，颗粒细胞祖细胞的未分化和增殖特性必须得到适当控制，而且颗粒细胞必须产生足够的数量。

该研究小组研究了小脑颗粒细胞祖细胞的增殖和分化，阐明了有丝分裂面的角度与神经元发育之间的关系，以及癌症相关分子MEIS1和蛋白质分解分子在小脑颗粒细胞发育中的作用。 在这些以往结果的基础上，我们决定以小脑为模型系统，研究神经祖细胞增殖和未分化的神经元分化的合作调节。

不分化和增殖的阶梯式变化

在小鼠的小脑中，颗粒细胞是在生命的头两到三周从颗粒细胞祖细胞中产生的。 该研究小组利用单细胞RNAseq数据进行了大数据分析。 通过在小鼠身上验证结果，他们发现，颗粒细胞祖细胞最初是以 "积极增殖、更多未分化的祖细胞(AT+GCPs)"的形式存在，但逐渐改变其状态为 "正在向分化的神经元前进的祖细胞(ND+GCPs 然后分化成神经元。 据研究人员说，这种未分化和增殖状态的逐步变化被认为能产生适当数量的颗粒细胞，而没有过剩或不足。

未分化和增殖受CCND1数量的协调调节

接下来，该研究小组集中研究了颗粒细胞祖细胞中的转录因子ATOH1(以前已知它参与维持未分化)和细胞周期相关分子CyclinD1(CCND1)，以前已知它促进细胞增殖。 他们将这些基因引入发育中的小脑颗粒细胞的祖细胞中，并进行了增强或减弱这些分子功能的实验。结果，他们发现ATOH1和CCND1是维持 "积极增殖、更未分化的祖细胞(AT+GCPs)的特性所必需的。

此外，利用培养的细胞，他们发现CCND1通过与CDK4(一种磷酸酶)结合使ATOH1蛋白磷酸化(在第309个丝氨酸残基处)，从而稳定ATOH1蛋白。 尽管CCND1最初被认为是促进 "增殖 "的，但研究人员说他们的发现表明，该蛋白还通过稳定ATOH1蛋白帮助维持 "未分化"。 换句话说，通过控制单一蛋白质CCND1的数量，研究人员能够协调调节神经祖细胞的未分化和增殖。

在小脑发育的早期阶段，许多颗粒细胞祖细胞会产生少量的颗粒细胞，同时保持 "未分化 "和 "增殖"，但随着小脑发育的进展，颗粒细胞祖细胞逐渐失去增殖和未分化的特性，其分化为神经元的概率也随之增加。该研究小组发现，随着发育的进行，CCND1蛋白的数量逐渐减少。 转基因实验表明，发育过程中CCND1的数量减少可能是颗粒细胞祖先加速分化为神经元的原因。

较高水平的WNT信号控制CCND1的数量

那么，这种CCND1蛋白的数量是如何调节的? 他们发现，参与各种发育事件的WNT信号在整个小脑的早期发育中是很低的，但在后期发育中整个小脑的信号会增加。 此外，他们还发现，由于WNT信号的增加，转录因子PROX1的表达在小脑颗粒细胞祖细胞中也被上调，而上调的PROX1起到了抑制CCND1表达的作用。 换句话说，在小脑颗粒细胞祖细胞中，一个分子CCND1同时控制着细胞的 "未分化 "和 "增殖 "特性，从而促进了两者的协调发展。

除了少数例外，一般来说，在神经祖细胞分化为神经元的过程中，这两种特性协同工作，这表明类似的机制可能参与其他脑区的发展。 此外，细胞外信号，即WNT信号，是CCND1水平的一个更高层次的调节器。 这些结果表明，本研究发现的分子网络不仅调控单个细胞的未分化和增殖特性，而且有助于决定整个细胞系统的增殖和神经分化的平衡。

本研究对颗粒细胞发育的分子基础提供了许多新的见解。 这些结果不仅对颗粒细胞的发育机制有许多影响，而且对小脑皮层的进化扩张和颗粒细胞的致癌机制也有影响。此外，本研究中强调的分子和发育机制并不限于小脑。 研究小组说："由于这些分子和发育机制在大脑皮层和其他脑区是共同的，对小脑的研究有望为整个大脑创造出共同的原则。