文献标题 ：Integrated omics reveals disease-associated radial glia-like cells with epigenetically dysregulated interferon response in multiple sclerosis
杂志 ：Neuron
影响因子 ：16.6
第一作者 ：Bongsoo Park
通讯作者 ：Irina Mohorianu Stefano Pluchino Isabel Beerman
作者单位 ：National Institute on Aging, NIH
文献所用芯片 ：Human Cytokine Array C5：AAH-CYT-5，一次筛选检测80个关键的人细胞因子靶标
文献介绍 ：实验深入探讨了多发性硬化症（MS）特别是进行性MS（PMS）的复杂机制，发现PMS的特征是持续的“闷烧”炎症和神经退行性病变，与衰老过程密切相关，表现为加速的“脑龄”和细胞衰老迹象。研究利用直接重编程技术，从PMS患者成纤维细胞生成了诱导性神经干细胞（iNSCs），发现这些iNSCs在炎症和干扰素（IFN）信号通路基因上存在表观遗传的低甲基化和转录本上调，揭示了PMS中一种新型的、衰老且IFN反应性强的疾病相关放射状胶质样细胞（DARG）亚群，它们能够在慢性病变中驱动和维持炎症。功能研究表明，通过清除衰老细胞的治疗可以抑制这种炎症反应。这一发现揭示了DARG细胞在PMS神经退行性病变中作为炎症驱动者的潜在作用，为理解疾病机制和开发新的治疗靶点提供了重要见解。
实验结果
一、本研究通过对健康个体和进行性多发性硬化症（PMS）患者皮肤成纤维细胞直接重编程获得的诱导性神经干细胞（iNSCs）进行批量RNA测序分析，揭示了PMS iNSCs中疾病和年龄相关的细胞特征。主成分分析（PCA）显示对照组与PMS样本之间存在明显差异，差异表达（DE）分析突出显示了与炎症相关的转录本（如ISG15, IFIT1, SERPINE1）。基因集富集分析（GSEA）进一步确认，PMS iNSCs中富集了多种通路，包括IFN-α/-β信号、应激反应、细胞因子反应、脂质代谢过程以及与IFN信号相关的转录因子，而与DNA结合转录因子活性和细胞增殖相关的基因集则在PMS iNSCs中表达减少。这些发现与先前研究中PMS患者来源NSCs的细胞衰老和炎症信号特征相符。
二、研究进一步分析了与炎症、细胞衰老和干扰素（IFN）信号相关的基因调控网络（GRNs），发现在PMS iNSCs中存在一个以IFN基因IRF2为中心的枢纽，与CDKN1C、CDKN2A、IRF1和CGAS有强烈的相互作用，表明衰老和炎症通路之间存在相互作用，并在PMS iNSCs中诱导了衰老和IFN程序。实验验证了PMS iNSCs中关键衰老标志物的上调，包括端粒缩短、衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）活性增加、细胞增殖减少以及衰老相关蛋白（如p16Ink4a、p21、GDF15）水平升高。重要的是，通过衰老细胞清除药物ABT-263治疗能有效逆转这些衰老表型。为了探究PMS iNSCs中衰老和炎症特征的表观遗传学起源，研究对亲代成纤维细胞和匹配的iNSC系进行了全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS），结果显示成纤维细胞与iNSCs以及对照组与PMS样本之间存在表观遗传学上的差异。
三、研究通过全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）发现，直接重编程的iNSCs能保留与供体成纤维细胞相似的表观遗传年龄，这与iPS-NSCs不同，从而支持了直接重编程技术在维持iNSC表观基因组方面的优势。PMS成纤维细胞和iNSCs均表现出低甲基化，特别是在T细胞激活、IL-12产生和JAK-STAT信号通路中，这与炎症反应相关。PMS iNSCs中特异性低甲基化涉及细胞因子产生、TNF超家族细胞因子产生以及I-κB激酶/NF-κB信号调节，其中STAT5和IRF6等转录因子与免疫反应和衰老维持有关。共同低甲基化的基因揭示了脂质代谢、炎症和IFN生产的通路，这与MS进展和病理学（如白细胞激活和分化、STAT信号传导、IFN生产）相关的GWAS研究一致，并发现MS已知变异基因IRF5在PMS样本中启动子-TSS区域低甲基化。此外，PMS样本中还存在NF-κB等主转录因子结合基序的共同富集，表明其在调控先天性和适应性免疫反应及诱导衰老中的作用。这些数据表明，PMS病理与成纤维细胞和iNSCs表观基因组的改变密切相关，尤其是在炎症、代谢/脂质和IFN通路以及细胞衰老相关基因中。为进一步探究iNSCs的异质性，研究对对照组和PMS iNSCs进行了单细胞/单核RNA测序和ATAC测序，识别出8个稳定的细胞簇，为后续分析奠定了基础。
四、研究通过单细胞/单核RNA测序对iNSCs进行分群，发现大部分iNSCs具有放射状胶质（RG）样细胞或星形胶质祖细胞的转录组特征，其中PMS患者的iNSCs在簇5中显著富集。簇5表现出细胞衰老、干扰素（IFN）信号和免疫过程相关基因的高度富集，而增殖和再生相关基因表达较低。将这些体外发现与MS患者死后脑组织的单核RNA测序数据进行比对，发现在慢性活动性病变中存在大量非神经发生的RG样细胞，且与PMS iNSCs中的衰老、IFN反应性RG样细胞簇特征高度吻合。这些结果表明，PMS iNSCs中的簇5代表了一种疾病相关的RG样细胞群，它具有衰老和强烈的IFN反应特征，可能在PMS患者大脑的慢性活动性病变中发挥关键作用。
五、研究评估了MS死后脑组织中放射状胶质（RG）样细胞的衰老和干扰素（IFN）信号特征，发现慢性病变中存在大量“疾病相关RG样细胞”（DARGs），它们显著富集衰老和IFN相关基因，且这一特征是DARG所独有的。慢性活动性病变中的衰老DARG比例显著高于非RG样细胞，尤其在病变边缘区域。这些结果进一步证实了PMS大脑中，特别是在慢性活动性病变中，存在具有炎症和衰老转录特征的非神经发生性DARGs。通过伪时间轨迹分析，研究发现PMS iNSC DARGs（簇5）的演变可能起始于具有特定基因特征的iNSCs，并伴随着细胞周期、线粒体代谢以及IFN和细胞因子信号通路的改变，暗示PMS iNSCs中的代谢特征可能促进了这种IFN反应性DARG的形成。
六、研究利用体外数据集的基因模块，分析了MS死后人脑样本中的星形胶质细胞和RG样细胞，通过伪时间轨迹分析，发现RG样细胞可能源自成熟星形胶质细胞。细胞间相互作用分析预测，PMS iNSCs中的簇5（DARG）通过分泌多种炎性因子（如TNF受体相关因子2）诱导NFκB激活并抑制NSC增殖，从而传播炎症和衰老。细胞因子阵列实验证实PMS iNSCs分泌的SASP相关炎性因子增加，这些因子可诱导其他细胞簇产生功能障碍和衰老表型。进一步的干预实验表明，衰老细胞清除药物ABT-263能够显著降低PMS iNSCs中衰老、炎症和IFN信号相关转录本的表达，并逆转PMS条件培养基（CM）对对照iNSCs诱导的氧化应激、细胞因子信号、脂质代谢、IFN通路和衰老相关转录本的上调效应，同时恢复了受抑制的细胞周期相关转录本。这些结果强烈支持DARG在PMS炎症和衰老传播中的核心作用，并提示衰老细胞清除治疗可能具有干预潜力。
七、PMS iNSCs表现出功能性的炎症和衰老表型，能将炎症和衰老传播给邻近细胞。衰老细胞清除药物ABT-263虽然未能完全清除衰老细胞，但显著降低了衰老、炎症和IFN信号转录本的表达，表明其作为“衰老塑性剂”在缓解PMS神经炎症和细胞功能障碍方面的潜力。研究通过重新分析三个公开的MS死后人脑空间转录组数据集，发现“疾病相关放射状胶质样细胞”（DARGs）在MS患者的白质和灰质病变区域（特别是病变边缘和邻近白质）显著富集，且与少突胶质细胞比例呈负相关，并伴随星形胶质细胞和小胶质细胞密度的增加。DARG高表达区域富集了“MS中发炎的星形胶质细胞”（AIMS）和“MS中发炎的小胶质细胞”（MIMS）的特征，以及RG样和衰老相关转录本，表明DARG在MS大脑的病变微环境中维持慢性炎症和组织损伤中发挥关键作用，支持了DARG作为MS疾病进程中一个离散且具有重要病理意义的细胞亚群的存在。
八、研究整合多组学数据，深入揭示了PMS iNSCs中定义炎症性放射状胶质样细胞（DARGs）的调控网络，发现RNA簇5（DARG）与ATAC簇8高度一致，主要由PMS细胞组成，并具有特异性的染色质可及性改变，促进IFN反应和衰老相关基因（如IRF1）的表达。DARG通过衰老相关分泌表型（SASP）向邻近细胞传播炎症和衰老，而衰老细胞清除剂ABT-263能有效抑制此过程。伪时间分析显示DARG的演变涉及细胞周期、代谢和IFN信号通路的改变。与公开数据集的整合分析进一步证实，DARGs在MS患者的慢性活动性病变区域显著富集。这些发现揭示了一个新的、由IRF1调控的、具有表观遗传失调和IFN响应特征的DARG细胞轴，可能驱动PMS的慢性炎症，为疾病机制理解和治疗靶点开发提供了重要线索。
实验讨论 ：本研究通过直接重编程PMS患者成纤维细胞生成iNSCs，发现PMS的病理特征（如炎症信号和衰老基因表达升高）在其iNSCs中得以复现，且iNSCs保留了与疾病相关的表观遗传记忆，包括普遍的低甲基化现象，尤其是在炎症转录因子调控的启动子区域，这表明PMS细胞具有先天性过度IFN反应倾向。研究进一步揭示了iNSCs中一个小的放射状胶质样细胞（RG-like）亚群（簇5）能够通过旁分泌方式向邻近细胞传播炎症和衰老，并通过与公开的MS死后脑组织数据集比对，证实了“疾病相关RG样细胞”（DARGs）在MS慢性活动性病变区域显著富集，并具有IFN和衰老基因特征。空间转录组学分析表明，DARGs在病变边缘、邻近白质甚至室管膜壁龛中富集，提示其可能参与病变形成和进展，且与更具侵袭性的病变相关。最后，研究证明衰老细胞清除剂ABT-263能够有效缓解DARGs传播的炎症和衰老表型。综上，本研究揭示了PMS患者中一个独特的、表观遗传失调、具有IFN响应和衰老特征的DARG细胞群，它可能驱动慢性炎症，为PMS的治疗干预提供了新的靶点。
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