Fate mapping of Spp1 expression reveals age-dependent plasticity of disease-associated microglia-like cells after brain injury

Lan Y, Zhang X, Liu S, Guo C, Jin Y, Li H, Wang L, Zhao J, Hao Y, Li Z, Liu Z, Ginhoux F, Xie Q, Xu H, Jia JM, He D.

Immunity. 2024 Feb 13;57(2):349-363.e9.

doi: 10.1016/j.immuni.2024.01.008.

Abstract

Microglial reactivity to injury and disease is emerging as a heterogeneous, dynamic, and crucial determinant in neurological disorders. However, the plasticity and fate of disease-associated microglia (DAM) remain largely unknown. We established a lineage tracing system, leveraging the expression dynamics of secreted phosphoprotein 1（Spp1） to label and track DAM-like microglia during brain injury and recovery. Fate mapping of Spp1+ microglia during stroke in juvenile mice revealed an irreversible state of DAM-like microglia that were ultimately eliminated from the injured brain. By contrast, DAM-like microglia in the neonatal stroke models exhibited high plasticity, regaining a homeostatic signature and integrating into the microglial network after recovery. Furthermore, neonatal injury had a lasting impact on microglia, rendering them intrinsically sensitized to subsequent immune challenges. Therefore, our findings highlight the plasticity and innate immune memory of neonatal microglia, shedding light on the fate of DAM-like microglia in various neuropathological conditions.

연령에 따른 미세아교세포의 가소성 차이를 밝혀낸 논문으로 Spp1 발현을 추적하는 계통 추적 시스템을 개발하여 뇌 손상 후 질병 관련 미세아교세포(DAM)의 변화를 관찰했다. 청소년기 마우스에서는 DAM이 비가역적 상태를 보이며 결국 제거된 반면, 신생아 마우스에서는 높은 가소성을 나타내어 항상성 상태로 회복하고 미세아교세포 네트워크에 재통합되었다. 또한 신생아기 손상은 미세아교세포에 지속적인 영향을 미쳐 이후 면역 자극에 더 민감한 반응을 하게 만들었다. 이 연구는 신생아 미세아교세포의 가소성과 선천 면역 기억을 강조하며, 다양한 신경병리 상태에서 DAM의 변화를 보여준다.

[전체요약]

미세아교세포는 뇌의 주요 면역 세포로, 뇌 손상이나 질병 상태에서 활성화되어 질병 관련 미세아교세포(DAM)로 전환된다. 이러한 미세아교세포의 반응성은 신경학적 질환에서 중요한 역할을 하지만, DAM의 가소성과 장기적 변화에 대해서는 아직 많은 부분이 밝혀지지 않았다. 특히 나이에 따라 미세아교세포의 반응과 회복 능력이 어떻게 달라지는지에 대한 이해는 제한적이어서, 이 연구는 분비 인산단백질 1(Spp1)의 발현을 추적하는 fate mapping system을 통해 뇌 손상 후 DAM 세포의 나이 의존적 가소성을 조사하고자 했다. Spp1은 다양한 신경병리 상태에서 상향 조절되는 DAM의 핵심 표지자로, 이를 활용한 추적 방법은 DAM의 동태와 결과를 이해하는 데 중요한 내용을 제공할 수 있다.

Spp1-CreERT2 유전자 조작 생쥐 모델을 개발하여 Spp1을 발현하는 세포들을 시간적, 공간적으로 표지하고 추적했다. 이 모델을 통해 타목시펜 투여 시점에 Spp1을 발현하는 세포들이 영구적으로 형광 단백질로 표지되어 장기적인 추적을 하였다. 연구에는 다양한 연령대(신생아, 청소년기, 성체, 노화된 마우스)의 생쥐가 사용되었으며, 외상성 뇌 손상(TBI)과 허혈성 뇌졸중 모델이 적용되었다. 뇌 손상 전후 및 회복 과정에서 Spp1 발현 세포의 특성과 결과를 분석하기 위해 단일 세포 RNA 시퀀싱(scRNA-seq), 면역조직화학 분석, 행동 실험, 유세포 분석 등 다양한 기법이 활용되었다. 또한 동일한 마우스에서 초기 뇌 손상 후 이차적인 면역 자극을 적용하여 미세아교세포의 면역 기억을 평가했다.

연구 결과, DAM 세포의 가소성은 나이에 따라 뚜렷한 차이를 보였다. 신생아 마우스의 경우, 뇌 손상 후 형성된 DAM 세포는 높은 가소성을 나타내어 회복 과정에서 항상성 상태로 되돌아가고 미세아교세포 네트워크에 재통합되었다. 반면 청소년기와 성체 마우스에서는 DAM 세포가 비가역적 상태를 유지하다가 결국 손상된 뇌에서 제거되었으며, 노화된 마우스에서는 이러한 경향이 더욱 두드러졌다. 단일 세포 분석 결과, 나이에 따라 DAM 세포의 유전자 발현 패턴이 달랐으며, 노화된 마우스의 DAM 세포는 염증 반응, 라이소좀 활성, 지질 대사 관련 유전자 발현이 증가했다. 또한, 신생아기 뇌 손상은 미세아교세포에 지속적인 영향을 미쳐 후속 면역 자극에 더 민감하게 반응하는 '훈련된 면역' 현상을 유발했다. 기능적 평가에서는 나이가 많은 마우스일수록 뇌 손상 후 신경학적 회복이 지연되었으며, 이는 DAM 세포의 감소된 가소성과 지속적인 활성화와 연관성을 보였다. 이러한 결과는 나이에 따른 미세아교세포의 가소성 차이가 신경학적 질환의 회복과 예후에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.