远程神经元活动通过SEMA4F驱动胶质瘤进展

Remote neuronal activity drives glioma progression through SEMA4F

作者信息Emmet Huang-Hobbs, Yi-Ting Cheng, Yeunjung Ko, Estefania Luna-Figueroa, Brittney Lozzi, Kathryn R Taylor, Malcolm McDonald, Peihao He, Hsiao-Chi Chen, Yuhui Yang, Ehson Maleki, Zhung-Fu Lee, Sanjana Murali, Michael R Williamson, Dongjoo Choi, Rachel Curry, James Bayley, Junsung Woo, Ali Jalali, Michelle Monje, Jeffrey L Noebels, Akdes Serin Harmanci, Ganesh Rao, Benjamin Deneen
PMID37380778
期刊Nature
发布时间2023-07
DOI10.1038/s41586-023-06267-2

实验完整度

包含体外细胞模型、小鼠体内模型(RCAS、IUE)及患者样本分析,并使用scRNA-seq、空间转录组、体内筛选、电生理等功能和机制验证。

主要模型

小鼠IUE-HGG模型 小鼠RCAS/Ntv-a低级别胶质瘤模型 患者来源胶质瘤细胞系(GSC 8-11) 三维球体浸润模型

重点核对

CNO浓度:0.5 mg/kg,腹腔注射,每日两次 AAV注射时间:P5,注射至对侧皮层 CNO处理起始时间:P20 胼胝体切断手术时间:P7-10 Rasgrf2-dCre诱导时间:P15

摘要

肿瘤微环境(TME)在恶性肿瘤中发挥重要作用,神经元已成为TME中促进多种癌症肿瘤发生的关键组分。最近对胶质母细胞瘤(GBM)的研究强调了肿瘤与神经元之间的双向信号传导,这种信号传导会扩散增殖、突触整合和大脑过度活跃的恶性循环;然而,驱动这一现象的神经元亚型和肿瘤亚群的身份仍不完全清楚。在这里,我们展示了位于原发性GBM肿瘤对侧半球的胼胝体投射神经元促进肿瘤进展和广泛浸润。利用该平台研究GBM浸润,我们在小鼠和人类肿瘤的前沿发现了一个活性依赖的浸润群体,该群体富含轴突导向基因。这些基因的高通量体内筛选确定Sema4F是肿瘤发生和活性依赖性进展的关键调节因子。此外,Sema4F通过重塑肿瘤邻近突触导致脑网络过度活跃,促进活性依赖性浸润群体并传播与神经元的双向信号传导。总的来说,我们的研究表明,位于原发性GBM远处位置的神经元亚群促进恶性进展,同时揭示了由神经元活动调节的胶质瘤进展的新机制。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
对侧半球的神经元活动是否以及如何促进胶质瘤的进展和浸润?
核心机制
Sema4F通过其胞外域促进肿瘤浸润,并通过重塑肿瘤邻近突触(减少抑制性突触、增加兴奋性突触)导致脑网络过度活跃,从而驱动胶质瘤进展。
主要证据
通过CNO刺激对侧神经元显著加速RCAS低级别胶质瘤进展及IUE-HGG浸润;scRNA-seq和空间转录组鉴定出活性依赖性浸润群体;体内筛选和功能实验证明Sema4F是驱动进展的关键基因;突触染色和EEG显示Sema4F-GOF导致突触重塑和脑网络过度活跃。
研究意义
揭示远离原发肿瘤的神经元亚群通过长投射促进胶质瘤进展的新机制,提示胶质瘤-神经元相互作用比以往认为的更广泛,为理解胶质瘤浸润和复发提供新视角。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

神经活动刺激对侧半球神经元

验证远程神经元活动是否能促进胶质瘤进展和浸润

通过AAV2/9 Syn1-hM3Dq-mCherry注射至对侧皮层,并在P20开始给予CNO或生理盐水处理,观察肿瘤进展和浸润。

2

验证胼胝体投射神经元的作用

确定对侧半球中哪类神经元介导肿瘤促进作用

通过切断胼胝体或特异性激活Rasgrf2阳性神经元(层2/3 CPN)观察肿瘤浸润和增殖变化,并激活抑制性神经元作为对照。

3

鉴定活性依赖性浸润群体

识别受神经活动影响的肿瘤细胞亚群及其分子特征

对P50肿瘤进行scRNA-seq和空间转录组分析,比较CNO处理与对照组,鉴定浸润前沿的肿瘤亚群并分析其基因表达。

4

体内筛选轴突导向基因

筛选驱动胶质瘤浸润的关键轴突导向基因

构建含有43个轴突导向基因的条形码文库,经体内筛选比较原发与继发部位的条形码富集,确定候选基因。

5

验证Sema4F的功能

验证Sema4F对胶质瘤进展和浸润的影响及其机制

在IUE-HGG模型中过表达或敲除Sema4F,分析生存期、浸润、增殖等;并检测Sema4F对突触和脑网络活动的影响。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
氯氮平N-氧化物TocrisCat #4936
快绿----
微量分配器Drummond ScientificCat no.13-681-460
OCT包埋剂Sakura Finetek4583
伊红Poly Scientific R&DS176
Permount封片剂Electron Microscope Sciences17986-01
ImmPRESS(过氧化物酶)聚合物抗兔IgG试剂Vector Labs--
DAB过氧化物酶底物Vector LabsSK4100
Alexa Fluor 647二抗ThermoFisher--
Hoechst染料ThermoFisherH3570
VECTASHIELD抗淬灭封片剂Vector LaboratoriesH-1000
VGLUT1抗体Milliporeab5905
PSD95抗体Invitrogen51-6900
VGAT抗体SYSY131011
Gephryn抗体SYSY147011
木瓜蛋白酶WorthingtonLK003178
DNA酶IWorthingtonLK003172
EBSS平衡盐溶液ThermoFisher24010043
红细胞去除试剂盒Miltenyi130-094-183
碎片去除试剂盒Miltenyi130-109-398
死细胞去除试剂盒Miltenyi130-090-101
10X Genomics Chromium10X Genomics--
Vimentin抗体Santa Cruzsc-373717
GFAP抗体Thermo53-9892-82
Iba1抗体MilliporeMABN92-AF647
GFP抗体GeneTexGTX113617
EPHA6抗体Abcamab80207
EPHA7抗体Abcamab136095
SEMA4F抗体LSBioLS-C497142
Actin抗体GeneTexGTX629630
DMEM/F12培养基ThermoFisher11320082
B27添加剂ThermoFisher17504001
碱性成纤维细胞生长因子Peprotech100-18B
表皮生长因子Peprotech100-47
嘌呤霉素ThermoFisherA1113803
RNeasy Plus微型试剂盒Qiagen74134
iScript逆转录酶超混合液BioRad1708841
PerfeCTa SYBR Green快速混合液Quantabio95072-012
高灵敏度RNA分析试剂盒AATIDNF-472-0500
TruSeq链式mRNA LT试剂盒IlluminaRS-122-2101
标准灵敏度NGS片段分析试剂盒AATIDNF-473-0500
Mid Output v2试剂盒IlluminaFC-404-2001
CytoSelect细胞侵袭实验Cell Biolabs--
Matrigel基质胶Corning--
自动细胞计数器Bio-Rad--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
体内神经元激活
AAV类型与注射时间(P5)、CNO剂量(0.5 mg/kg)与给药频率(每日两次)、处理起始时间(P20)
阅读提示:Methods: AAV-DREADD injection and CNO treatment
胶质瘤模型建立
IUE模型:E15电穿孔,NF1、PTEN、TP53敲除质粒浓度(各1.5μg/μl);RCAS模型:DF-1细胞注射时间(P1)
阅读提示:Methods: In utero electroporation model of HGG, RCAS model of LGG
胼胝体切断
手术时间(P7-10)、切断位置(胼胝体,前囟后1-2mm)
阅读提示:Methods: Corpus Callosum Cutting Surgery
Rasgrf2-dCre诱导
三甲氧苄啶剂量(100ng/g体重)、注射时间(P15)
阅读提示:Methods: Rasgrf2-dCre Induction
单细胞测序
样本数量(每组一只雄性和一只雌性)、组织解离酶(木瓜蛋白酶、DNAseI)、测序平台(10X Genomics)
阅读提示:Methods: Single Cell Sequencing
空间转录组
样本固定(FFPE)、切片厚度(5μm)、抗体(Vimentin、GFAP、Iba1)
阅读提示:Methods: Spatial Transcriptomics
体内筛选
文库类型(PiggyBac条形码)、筛选时间点(P90)、样本来源(原发和继发肿瘤位点)、生物学重复数(4)
阅读提示:Methods: Barcode Screen
体外侵袭实验
细胞数量(1.0x10^5)、检测时间(48小时)
阅读提示:Methods: In vitro spheroid proliferation and infiltration
EEG记录
电极植入时间(P40)、记录时间点(P50开始,每7天记录48小时)
阅读提示:Methods: EEG methods