人类反应性星形胶质细胞的时间调控揭示其抗原呈递能力研究

星形胶质细胞在损伤和疾病中会进入反应状态，表现为转录组、形态和功能的改变。以往研究多聚焦于啮齿类动物，对人类星形胶质细胞反应的时间动态(急性与慢性刺激的差异)、可逆性及功能特性(如抗原呈递)了解有限。已知炎症细胞因子(TNF-α、IL-1α、C1q，合称 TIC)可诱导星形胶质细胞的炎症表型，但人类星形胶质细胞在慢性炎症下是否具有抗原呈递能力(通常为专职抗原呈递细胞的功能)尚不明确。本研究通过人类皮质类器官(hCOs)和胎儿脑组织，探究人类星形胶质细胞反应的时间调控、可逆性及抗原呈递潜能，为神经炎症和自身免疫疾病机制提供新见解。

来自美国埃默里大学医学院的团队在《bioRxiv》(预印本，2025)发表了题为Temporal regulation of human reactive astrocytes reveals their capacity for antigen presentation的研究。

核心内容如下：

研究方法：

模型构建：使用 175-250 天龄的人类皮质类器官(hCOs)及妊娠 19-21 周的人类胎儿脑组织，通过免疫淘选纯化星形胶质细胞(HepaCAM⁺)和神经元(CD24⁺);

处理方案：用 TIC 细胞因子(TNF-α、IL-1α、C1q)处理 hCOs，时间从 1 天到 3 个月(急性到慢性刺激)，随后撤去 TIC 观察反应状态的可逆性;

检测手段：结合 RNA-seq、ATAC-seq 分析转录组和染色质可及性，通过免疫荧光、流式细胞术、共免疫沉淀和质谱验证 MHCII 的表达及抗原呈递功能。

关键结果：

时间依赖性反应：急性 TIC 刺激(1-7 天)诱导炎症基因(如 C3、IL6)快速上调，慢性刺激(31-84 天)则激活 MHCII 相关基因(如 HLA-DRA)，染色质可及性与基因表达变化一致;

可逆性：无论急性(7 天)还是慢性(31 天)TIC 刺激，撤去细胞因子后，星形胶质细胞的转录组和染色质状态可在数天内恢复至静息状态;

MHCII 表达与功能：慢性 TIC 刺激诱导星形胶质细胞表达 MHCII 蛋白，且与星形胶质细胞标志物(GFAP)共定位;流式细胞术证实 MHCII 在细胞表面表达，共免疫沉淀显示其与 invariant chain(CD74)结合;质谱分析发现星形胶质细胞可呈递神经元来源的肽段(如 TUBB3、DCX);

细胞死亡与增殖：TIC 刺激增加细胞死亡(TUNEL⁺细胞比例上升)，但不促进星形胶质细胞增殖(EdU 掺入率略降)。

实验结果

图 1：TIC 刺激诱导人类星形胶质细胞的转录激活

内容：(A)通过免疫淘选从 hCOs 中纯化神经元(CD24⁺)和星形胶质细胞(HepaCAM⁺)，RNA-seq 证实神经元标志物(NEUROD6、TUBB3)和星形胶质细胞标志物(AQP4、S100B)的富集;(B)火山图显示 24 小时 TIC 处理后星形胶质细胞中上调的炎症基因(如 C3、NFKBIA);(C)RNAscope 显示 TIC 处理 7 天后 hCOs 中 C3 mRNA 的表达增加;(D) hierarchical 聚类显示 hCOs 来源星形胶质细胞与 2D 培养星形胶质细胞的炎症基因表达一致性，hCOs 星形胶质细胞成熟标志物(如 AQP4)表达更高;(E-F)单细胞 RNA-seq 的 UMAP 图显示，随 TIC 处理时间(1 天、7 天)延长，反应性星形胶质细胞(表达 CXCL10 等)比例增加;(G-H)小提琴图和特征图证实反应性星形胶质细胞中炎症基因(IL6、CXCL10)高表达，成熟标志物(AQP4)持续存在。

图 2：星形胶质细胞随时间形成不同的急性和慢性反应状态

内容：(A)实验设计：TIC 处理 hCOs 1、7、31、84 天，对纯化的星形胶质细胞进行 RNA-seq 和 ATAC-seq;(B-C)WGCNA 分析识别出三个模块：下调模块(88 个基因)、时间非依赖模块(1101 个基因，急性反应)、时间依赖模块(255 个基因，慢性反应)，GO 分析显示时间依赖模块富集抗原处理与呈递、MHCII 相关通路;(D-F)RNA 和 ATAC 数据的相关性分析显示，上调基因的表达与染色质可及性一致，下调基因则存在不一致;(G-I)基因表达和染色质可及性的时间动态趋势，如 ETNPPL(下调)、CXCL10(时间非依赖)、HLA-DPA1(时间依赖);(J)转录因子分析显示 MAFF、REL 调控时间非依赖模块，PRDM1 调控时间依赖模块。

图 3：星形胶质细胞反应状态的可逆性依赖于炎症暴露时间

内容：(A)实验设计：TIC 处理 7 天后撤去细胞因子，定期检测星形胶质细胞状态;(B-E)GAM 图和重要性分析显示，时间非依赖和时间依赖模块的基因表达及染色质可及性在撤去 TIC 后恢复至基线;(F)ATAC 峰强度定量证实可逆性;(G-L)慢性刺激(31 天)后撤去 TIC 的结果与急性类似，时间非依赖和时间依赖模块的基因及染色质状态均恢复，仅下调模块恢复较慢。

图 4：慢性炎症诱导星形胶质细胞表达 MHCII 蛋白

内容：(A-B)hCOs 经 1-84 天 TIC 处理后，免疫荧光显示 MHCII 蛋白随时间增强，对照组几乎无表达;(C-D)共免疫荧光证实 MHCII 与星形胶质细胞标志物 GFAP 共定位;(E-G)RNAscope 显示 31 天 TIC 处理后，HLA-DRA(MHCII 基因)与 C3(炎症标志物)、GFAP 共定位;(H-J)定量分析显示 HLA-DRA、C3、GFAP 的荧光强度随 TIC 处理时间增加;(K)共定位分析显示 97% 的 HLA-DRA⁺细胞同时表达 C3，100% 表达 GFAP;(L-M)TUNEL 染色显示 TIC 处理增加细胞死亡，EdU 实验显示星形胶质细胞增殖未增加。

图 5：TIC 诱导胎儿人类星形细胞表面表达 MHCII

内容：(A-B)妊娠 18-21 周的胎儿皮质切片经 TIC 或 IFN-γ 处理 7 天;(C-F)流式细胞术分选显示，TIC 处理后 CD49f⁺星形胶质细胞中 MHCII⁺比例增加，与 IFN-γ 组类似;(G-H)RNA-seq 显示 TIC 处理的星形胶质细胞中 MHCII 基因(如 HLA-DRB1、HLA-DRA)上调;(I-K)共免疫沉淀证实 TIC 处理的星形胶质细胞中 MHCII 与 CD74(invariant chain)结合，蛋白水平高于对照组和 IFN-γ 组。

图 6：胎儿星形细胞通过 MHCII 获得功能性抗原呈递特征

内容：(A)实验设计：TIC 处理的胎儿星形胶质细胞经 MHCII 免疫沉淀后，通过 LC-MS/MS 鉴定结合的肽段;(B-C)热图显示所有 MHCII 沉淀中均存在的结合蛋白(如 CD74、HLA-DRB1)和特定样本中富集的呈递肽段;(D-E)肽段的胰蛋白酶切割位点分析显示，呈递肽段多为单端切割(44%)，而结合蛋白多为双端切割(84%);(F-G)向 TIC 处理的星形胶质细胞添加神经元裂解物后，质谱鉴定出神经元特异性肽段(如 TUBB3、DCX);(H)单细胞 RNA-seq 证实这些肽段的来源基因在神经元中高表达。

全文总结

本研究通过人类皮质类器官和胎儿脑组织，揭示了人类反应性星形胶质细胞的时间动态调控：急性炎症(TIC 处理 1-7 天)主要激活炎症通路，慢性炎症(31-84 天)则诱导 MHCII 相关基因表达，且两种状态在撤去刺激后均可逆转。关键发现是慢性炎症下星形胶质细胞可表达功能性 MHCII，结合 CD74 并呈递神经元来源的肽段，表明其具备抗原呈递能力。这一发现拓展了对星形胶质细胞免疫功能的认知，为神经炎症、自身免疫疾病(如多发性硬化)的机制研究和治疗靶点提供了新方向。局限性包括类器官缺乏完整的神经微环境(如小胶质细胞)，未来需结合体内模型验证其生理意义。