近日，空軍軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院神經(jīng)外科崔文興博士為第一作者，白浩博士和郭成鉉碩士為共同第一作者；屈延教授為論文通訊作者，葛順楠教授、劉海嘯副研究員為共同通訊作者在Science子刊《Science Translational Medicine》轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域頂刊上發(fā)表題為《Interferon regulatory factor-1-expressing astrocytes are epigenetically controlled and exacerbate TBI-associated pathology in mice》的科研成果。研究討論了干擾素調(diào)節(jié)因子1（Interferon Regulatory Factor-1，IRF1）在創(chuàng)傷性顱腦損傷（Traumatic Brain Injury，TBI）中的作用及其調(diào)控機制。研究團隊通過DNA甲基化/羥甲基化及多組學(xué)分析、基因敲除小鼠模型以及藥物篩選等方法，揭示了IRF1在TBI中通過表觀遺傳機制調(diào)控星形膠質(zhì)細胞（astrocytes）的促炎表型，并加劇TBI相關(guān)的病理變化。

標題：Interferon regulatory factor-1-expressing astrocytes are epigenetically controlled and exacerbate TBI-associated pathology in mice（IRF1星形膠質(zhì)細胞受表觀遺傳調(diào)控并加劇小鼠創(chuàng)傷性顱腦損傷相關(guān)病理變化）

發(fā)表時間：2025年5月28日

發(fā)表期刊：Science Translational Medicine（SCI TRANSL MED）

影響因子：IF14.6/Q1

技術(shù)平臺：scRNA-seq、RRBS、oxRRBS等（易基因金牌技術(shù)）

星形膠質(zhì)細胞異質(zhì)性與創(chuàng)傷性顱腦損傷（TBI）病理生理學(xué)密切相關(guān)，尤其是在TBI患者發(fā)病和死亡主要原因之一的腦水腫進展中。目前對于某些星形膠質(zhì)細胞亞群如何促發(fā)急性腦損傷后的腦水腫知之甚少。本研究通過多組學(xué)方法鑒定出一個與TBI患者的臨床嚴重程度和預(yù)后相關(guān)的IRF1陽性（IRF1⁺）星形膠質(zhì)細胞簇（cluster）。在機制上，星形膠質(zhì)細胞中的IRF1能夠結(jié)合促炎細胞因子基因的啟動子，促進神經(jīng)毒性并破壞內(nèi)皮緊密連接的完整性。通過使用Aldh1/1^CreERT2; Irf1^flox/flox小鼠模型驗證了星形膠質(zhì)細胞特異性敲除Irf1能夠減輕星形膠質(zhì)細胞介導(dǎo)的病理活動，改善血腦屏障（lood-Brain Barrier，BBB）破壞，并降低TBI后的腦水腫。此外，星形膠質(zhì)細胞中IRF1活性增強通過釋放C-X-C基序趨化因子配體10（CXCL10）促進了CD8⁺ T細胞招募，從而加劇BBB破壞和腦水腫。此外TET3（Tet Methylcytosine Dioxygenase 3）介導(dǎo)的DNA羥甲基化是上調(diào)星形膠質(zhì)細胞中IRF1表達的關(guān)鍵表觀遺傳機制，從而激活促炎轉(zhuǎn)錄。本研究最后開發(fā)了一種IRF1拮抗因子8003-3282，其在TBI小鼠模型中有效減輕炎癥，保持BBB完整性，緩解腦水腫，并改善神經(jīng)學(xué)結(jié)果。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了IRF1⁺星形膠質(zhì)細胞是TBI相關(guān)病理的關(guān)鍵介質(zhì)，并表明靶向這一星形膠質(zhì)細胞簇（cluster）可能是減輕TBI炎癥、BBB損傷和腦水腫的潛在治療策略。

結(jié)果圖形

一、TBI患者腦水腫組織中細胞身份的鑒定

通過scRNA-seq分析，研究者鑒定出TBI患者腦水腫組織中的主要細胞類型，包括小膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞、星形膠質(zhì)細胞等，并發(fā)現(xiàn)這些細胞類型均表現(xiàn)出炎癥反應(yīng)，其中星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞的炎癥反應(yīng)最為顯著。通過差異基因表達分析，發(fā)現(xiàn)TBI組中炎癥相關(guān)基因（如IL-1β、IL-6、CXCL10等）顯著上調(diào)。通過GO分析，進一步揭示了這些細胞類型在TBI中的功能變化，如星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞在炎癥反應(yīng)中的關(guān)鍵作用。

圖1：有或無TBI患者腦水腫組織中細胞群落的鑒定

(A) 對6例TBI患者圍損傷皮層水腫組織中的42696個細胞以及4例無TBI對照個體皮層組織中的28974個細胞進行UMAP降維分析，展示整合分析鑒定出的主要細胞類型。

(B) 熱圖顯示基于(A)中scRNA-seq數(shù)據(jù)所得各細胞類型關(guān)鍵標記基因的表達情況。

(C) 差異基因表達分析突出顯示TBI患者皮層組織中主要細胞類型內(nèi)上調(diào)（紅色）和下調(diào)（藍色）基因。

(D) 柱狀圖展示基于(C)中差異表達基因?qū)Ω髦饕X細胞類型進行的GO通路富集分析結(jié)果。

(E) UMAP可視化展示TBI患者與對照組中的星形膠質(zhì)細胞亞群分布。

(F) 對TBI組與對照組星形膠質(zhì)細胞的比例聚類分析。

 

二、促炎星形膠質(zhì)細胞亞群的鑒定

通過分析星形膠質(zhì)細胞的基因表達，研究者鑒定出一個與TBI病理相關(guān)的IRF1陽性星形膠質(zhì)細胞亞群。這些IRF1⁺星形膠質(zhì)細胞表現(xiàn)出促炎和神經(jīng)毒性表型，與TBI的嚴重程度和不良預(yù)后密切相關(guān)。通過偽時間分析（Pseudotime Analysis），研究者揭示星形膠質(zhì)細胞從靜止狀態(tài)向促炎狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。

圖2：促炎星形膠質(zhì)細胞亞群的鑒定

(A) 點圖展示TBI患者與對照組星形膠質(zhì)細胞亞群中典型標記基因的表達。

(B) 對cluster 2星形膠質(zhì)細胞進行的GO功能富集分析。

(C) 對各星形膠質(zhì)細胞亞群進行神經(jīng)毒性和促炎性星形膠質(zhì)細胞基因集評分。所用基因集包括：C3、IL1B、MX1、CD44、CXCL10、GBP2、CCL2、CHI3L1、PSMB8、SRGN、SERPING1、IFIT3、ISG15 和 CCL20。

(D) 重建星形膠質(zhì)細胞從cluster 3向cluster 2的分化軌跡。

(E) 對星形膠質(zhì)細胞分化狀態(tài)的估計，虛線框突出顯示cluster 2。

(F) 沿(E)所示分化軌跡的可變基因偽時間表達譜熱圖。顏色表示各基因的標準化表達水平。

(G) 在TBI患者圍損傷水腫組織及正常人腦組織中，對C3、CD44 和 GBP2（綠色）在星形膠質(zhì)細胞（GFAP，紅色）中的免疫熒光染色（每組n=6）。

 

三、IRF1是促炎星形膠質(zhì)細胞激活的關(guān)鍵驅(qū)動因子

通過SCENIC分析，研究者發(fā)現(xiàn)IRF1是調(diào)控星形膠質(zhì)細胞促炎表型的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。在體外實驗中，IRF1過表達顯著誘導(dǎo)促炎和神經(jīng)毒性相關(guān)基因表達，而IRF1敲低則抑制這些基因表達。通過免疫熒光染色，研究者在TBI患者的腦組織中發(fā)現(xiàn)了IRF1⁺星形膠質(zhì)細胞顯著增加，且IRF1表達與格拉斯哥昏迷評分（GCS）和長期神經(jīng)功能預(yù)后呈負相關(guān)。

圖3： scRNA-seq驗證IRF1是TBI中促炎星形膠質(zhì)細胞激活的關(guān)鍵調(diào)控因子

(A) 患者TBI圍損傷水腫組織與對照星形膠質(zhì)細胞亞群中調(diào)控子（regulon）活性熱圖。

(B) UMAP降維圖展示IRF1在各星形膠質(zhì)細胞亞群中的表達，突出顯示cluster 2。

(C) UMAP可視化IRF1調(diào)控子（175個靶基因）活性，重點標記cluster 2。

(D) 沿推斷的偽時間軌跡展示的轉(zhuǎn)錄因子（TF）表達模式；顏色對應(yīng)圖2D所示偽時間排序后細胞狀態(tài)。

(E) 熱圖顯示在體外原代小鼠星形膠質(zhì)細胞中過表達各TF后，促炎基因表達差異影響（每組n=3）。

(F) 在原代小鼠星形膠質(zhì)細胞中過表達TF后的GO通路富集分析。

(G) 原代小鼠星形膠質(zhì)細胞RNA-seq數(shù)據(jù)（Ad-Irf1 vs Ad-con）的GSEA分析展示促炎信號通路激活。

(H) 基于患者TBI與對照scRNA-seq數(shù)據(jù)對IRF1^＋與IRF1^－星形膠質(zhì)細胞的神經(jīng)毒性及促炎基因集評分。

(I) 左：代表性免疫熒光圖像顯示TBI患者圍損傷水腫組織與未損傷對照皮層組織中IRF1（綠色）在星形膠質(zhì)細胞（GFAP，紅色）中的表達。右：TBI患者（n=20）與對照（n=6）IRF1^＋GFAP^＋細胞比例免疫熒光定量。

(J) TBI患者（n=20）中IRF1^＋GFAP^＋細胞比例與GCS評分的相關(guān)性分析。

(K) TBI患者（n=20）中IRF1^＋GFAP^＋細胞比例與GOSE預(yù)后評分評估的長期神經(jīng)學(xué)結(jié)局相關(guān)性分析。

(L) Western blot顯示TBI患者圍損傷水腫組織與對照組織中IRF1表達（每組n=7）。

(M) Western blot顯示TBI及假手術(shù)小鼠在損傷后第3天的星形膠質(zhì)細胞中IRF1表達（每組n=6）。

(N) 損傷后第3天，TBI小鼠圍損傷水腫、海馬、丘腦及杏仁核樣本中IRF1（綠色）在星形膠質(zhì)細胞（GFAP，紅色）表達的免疫熒光最大強度投影（每組n=6）。

 

四、IRF1在體外驅(qū)動星形膠質(zhì)細胞的促炎和神經(jīng)毒性表型

通過ChIP實驗研究者發(fā)現(xiàn)IRF1直接結(jié)合到多個促炎和神經(jīng)毒性基因的啟動子區(qū)域，包括C3、Nos2、Gbp2等。在體外實驗中，IRF1過表達的星形膠質(zhì)細胞培養(yǎng)基（ACM）顯著增加了神經(jīng)元死亡率，并降低神經(jīng)元樹突分支和長度。通過共培養(yǎng)實驗，研究者發(fā)現(xiàn)IRF1過表達的星形膠質(zhì)細胞培養(yǎng)基能夠破壞腦微血管內(nèi)皮細胞的緊密連接，增加炎癥標志物的表達。

圖4：IRF1在體外促進星形膠質(zhì)細胞的促炎和神經(jīng)毒性反應(yīng)

(A) 感染腺病毒對照組（ad-con）或IRF1過表達組（ad-Irf1）的原代星形膠質(zhì)細胞（GFAP標記，紅色）免疫熒光染色檢測。

(B) qPCR檢測ad-con或ad-Irf1轉(zhuǎn)染星形膠質(zhì)細胞中指定基因表達。

(C-D) Western blot及定量檢測指定蛋白表達水平。

(E) ChIP-qPCR檢測ad-Irf1轉(zhuǎn)染星形膠質(zhì)細胞中IRF1與指定基因啟動子區(qū)的結(jié)合。

(F) qPCR檢測siIrf1或siScrmbl轉(zhuǎn)染并經(jīng)TIC（TNF/IL-1α/C1q）處理后星形膠質(zhì)細胞中指定基因表達。

(G) TIC刺激后，敲低Irf1或亂序siRNA處理的星形膠質(zhì)細胞中促炎與神經(jīng)保護基因表達RNA-seq熱圖。

(H) RNA-seq的急性炎癥反應(yīng)Go term的GSEA基因集富集分析。

(I-J) 原代神經(jīng)元（MAP2標記）暴露于不同濃度ad-Irf1轉(zhuǎn)染星形膠質(zhì)細胞條件培養(yǎng)基后的TUNEL陽性細胞代表性圖像及定量。

(K-L) 原代神經(jīng)元暴露于25μg/ml ad-Irf1轉(zhuǎn)染星形膠質(zhì)細胞ACM后的樹突分支數(shù)及總樹突長度定量。

(M) 左側(cè)：bEnd.3內(nèi)皮細胞經(jīng)25μg/ml ad-Irf1轉(zhuǎn)染星形膠質(zhì)細胞ACM或?qū)φ张囵B(yǎng)基處理后的代表性圖像，緊密連接蛋白ZO-1紅色標記。右側(cè)：ZO-1熒光強度定量。

(N) Western blot檢測bEnd.3內(nèi)皮細胞經(jīng)遞增濃度ad-Irf1轉(zhuǎn)染星形膠質(zhì)細胞ACM處理后ZO-1、occludin及VCAM-1的表達。

參考文獻：

Cui W, Bai H, Guo C, Zhou J, Feng D, Zhang S, Gao F, Han L, Tian Y, Dong J, Wei F, Bai J, Wu X, Shi Y, Guo H, Wang L, Li Z, Guo W, Zhao T, Heng L, Cai Q, Liu H, Ge S, Qu Y. Interferon regulatory factor-1-expressing astrocytes are epigenetically controlled and exacerbate TBI-associated pathology in mice. Sci Transl Med. 2025 May 28;17(800):eadr5300. doi: 10.1126/scitranslmed.adr5300.