诺奖热点 | 空间转录组学揭示感觉神经通过调节BMP/TGF-β信号通路在保持颅缝通畅中的作用
感知能力对于生物的生存至关重要，视觉、听觉、嗅觉、触觉……人们可以通过多种多样的方式去感受世界，这也是我们和周围世界互动的基础。日常生活中，我们或许觉得冷、热，以及痛觉的感知理所应当，但痛觉和触觉的神经冲动如何启动，从而让我们得以感知温度、压力等，一直是生物学领域一个恼人的关键问题。
北京时间2021年10月4日，瑞典卡罗琳医学院宣布，将2021年诺贝尔生理学或医学奖授予David J. Julius和Ardem Patapoutian，以表彰他们在痛觉和触觉领域研究方面所作出的贡献。两位获奖者阐明了感官与环境之间复杂相互作用的关节环节，这些突破性的发现开启了关于痛觉和触觉领域研究的大门，使得人们对神经系统如何感知热、冷和机械刺激的理解迅速增加。
今天SBC小编结合诺奖最新热点，与大家分享一篇10月19日发表于著名SCI杂志PNAS上的文章。文章作者通过空间转录组学揭示了感觉神经通过调节BMP/TGF-β信号通路在保持颅缝通畅中的作用。
IF ：11.205
doi: 10.1073/pnas.2103087118.
摘要
感觉神经支配骨骼，是正常骨骼发育所必需的，但神经发挥这些基本功能的分子机制仍不清楚。本研究发现发育中颅骨里的原肌球蛋白受体激酶A(TrkA)感觉神经支配的遗传抑制导致颅顶缝过早闭合，与缝中间充质祖细胞（MPC）增殖减少和矿化增加有关。在体外，野生型小鼠背根神经节(DRGs)来源的外周传入神经元的轴突在微流室中共培养时，通过一种可溶性因子诱导MPC以空间受限的方式增殖。体内颅缝的比较空间转录组分析证实感觉轴突和增殖性MPCs之间存在正相关。发育中缝的SpatialTime分析揭示骨形态发生蛋白（BMP）和TGF-β信号通路转录本在TrkA抑制下发生区域特异性变化。背根神经节轴突与MPC共培养后对背根神经节进行RNA测序确认到BMP/TGF-β信号通路转录本的改变。这些转录本中，FSTL1复制了神经-骨骼影响的关键特征，包括通过抑制BMP/TGF-β信号的促有丝分裂和抗骨形成效应。综上所述，包括FSTL1的感觉神经元来源的信号通过调控缝间充质中MPC增殖和分化来发挥协调颅骨构型的作用。
主要结论
（一）TrkA感觉神经支配颅骨是维持缝通畅的必要条件
TrkA信号对于维持颅缝通畅至关重要：
TUBB3免疫组化染色显示NGF-eGFP报告动物矢状缝的颅顶全覆盖图像。（比例尺，500μm）
TUBB3免疫组化染色显示NGF-eGFP报告动物冠状缝和人字缝的的颅顶全覆盖图像。（比例尺，100μm）
P0矢状缝冠状面TUBB3染色。（比例尺，100μm）
OF或中部（Mid）缝间充质内TUBB3+ 神经区域的量化。n=4到5只小鼠/基因型。
在受孕时开始的1NMPP1治疗后P0时间点进行颅顶的整体骨骼染色（自上而下）。Oc，枕骨，Pa，顶骨。
对照（Cont）和TrkAF592A小鼠的额后缝和矢状缝的平均缝线宽度。n=5到9只小鼠/基因型。
从P6开始，1NMPP1治疗后，P21颅顶（自上而下视图）和矢状缝（冠状横截面）的Micro-CT重建。下面的数字表示矢状缝的平均宽度。
Cont和TrkAF592A小鼠矢状缝闭合百分率。
侧面顶骨之间相对于前后位置的二维平均缝宽。N=7只小鼠/基因型。图中代表平均值±SD，*P<0.05，**P<0.01。
TrkA+感觉神经通过空间受限的分泌配体促进颅缝的增殖扩张：
扩散和对照（Cont）和TrkAF592A突变动物的P0矢状缝的增殖和神经支配，通过EdU标记和TUBB3免疫组化染色可视化。（比例尺，200μm）
在Cont和TrkAF592A突变动物中对OF或中部（中）缝间充质中的EdU掺入进行定量研究。（比例尺，50μm）n=4。
使用微流控设备直接与DRG轴突共培养后原代MPCs的增殖，其中腔室通过微通道连接。（比例尺，10μm）TUBB3免疫组化染色观察轴突。
相对于最近的DRG轴突的EdU+ MPCs的空间分布。n=4。
用DRG衍生的神经条件培养基（CM）处理后MPCs中EdU标记的定量。n=4（比例尺，25μm）
在Cont和TrkAF592A突变颅顶中发育顶骨的MAR。n=8。图表代表平均值±SD、*P<0.05、**P<0.01和***P<0.001。
（二）缝的比较空间转录组分析表明TGF-β/BMP通路的改变
体内空间转录组学证实了TrkAF592A小鼠矢状缝中增殖标志物的衰减：
Tubb3表达的空间特征图和缝复合体定量分析。
对照组（Cont）和TrkAF592A小鼠矢状缝spots内的细胞周期基因Ccna2和预测细胞周期阶段评分。
用SpatialTime分析具有代表性的颅骨缝spots。
使用已知的缝/祖细胞（顶部）和成骨（底部）标志物验证SpatialTime分析。n=5到7只小鼠/基因型。
SpatialTime中细胞周期评分的变化。与中部（Mid）缝、OF和侧面顶骨（Bone）对齐的相对SpatialTime区域在图上表示。
空间转录组学表明TrkAF592A 颅顶中BMP/TGF-β 信号传导中断：
BMP信号模块在对照（Cont）和TrkAF592A颅顶之间评分的小提琴图和空间表达数据，包括BMP激活子、BMP抑制子和整体BMP信号。
在Cont和TrkAF592A颅顶中SpatialTime的BMP激活子和抑制子基因表达的热图。
基于Cont和TrkAF592A颅顶从中部（Mid）缝到侧面顶骨（Bone）的SpatialTime模块评分确认总体BMP激活。与中部缝、OF和侧翼骨对齐的相对SpatialTime区域在图上表示。n=5到7只小鼠/基因型。
典型的BMP信号检测，通过免疫荧光染色检测矢状缝和骨的冠状横截面的p-SMAD1/5/9来确认。（比例尺，200μm）
Cont和TrkAF592A颅顶TGF-β信号模块的小提琴图和空间表达评分，包括TGF-β激活子、TGF-β抑制子和TGF-β信号整体。
TGF-β激活因子和抑制因子基因在Cont和TrkAF592A颅顶SpatialTime表达的热图。
基于Cont和TrkAF592A颅顶从中部（Mid）缝到侧翼骨的SpatialTime模块评分确认总体 TGF-β激活。与中部缝、OF和侧翼骨对齐的相对SpatialTime区域在图上表示。n=5到7只小鼠/基因型。
典型的BMP信号检测，通过免疫荧光染色检测矢状缝和骨的冠状横截面的p-SMAD2来确认。（比例尺，200μm）
（三）感觉神经源性FSTL1功能维持MPCs处于增殖、未分化状态
FSTL1由TrkA+感觉神经分泌，调节MPC的增殖和分化：
E18.5颅顶骨驻留细胞和腰椎DRG神经元合并的scRNAseq数据集的UMAP投影。
类群marker基因小提琴图。
相对于其他细胞群，DRG神经元中候选分泌因子富集表达。
DRG细胞分成不同的神经亚型。PEP，肽能型伤害感受器;TH，含酪氨酸羟化酶;NP, 非肽能型伤害感受器;和NF,神经丝。
DRG亚群marker基因小提琴图。
PEP和NP神经亚型中TrkA（由Ntrk1编码）表达的特征和小提琴图。
小提琴图显示候选基因在不同神经亚型中的表达。
在对照DRG细胞体或与MPCs直接轴突共培养后，在TrkA+神经亚型中富集表达的候选基因。
rmFSTL1（250 ng/mL）处理48h后MPCs的增殖情况。
有或没有rmFSTL1的早期成骨诱导后基因表达。虚线表示成骨诱导第0天获得的值。
使用或不使用rmFSTL1（250 ng/mL）的成骨分化21d后的MPCs进行茜素红（AR）染色和定量。n=4。
使用新鲜神经培养基、非靶向培养基（NT CM）或Fstl1靶向培养基（KD CM）siRNA处理后MPCs的增殖，n=3。图形代表平均值±SD，*P< 0.05，**P<0.01 ***P<0.001。a.u：任意单位，EC：内皮细胞。
讨论
骨缝是由扩张的祖细胞增殖和沿骨板向内闭合矿化的平衡维持的。TrkA+感觉神经，通过NGF引导至颅缝，分泌FSTL1等因子，调节祖细胞的激活和扩张，抑制BMP介导的终末分化。TrkA抑制损伤感觉神经，减少缝间充质扩张，导致缝过早闭合。
