Traumatic brain injury promotes neurogenesis at the cost of astrogliogenesis in the adult hippocampus of male mice

Bielefeld P, Martirosyan A, Martín-Suárez S, Apresyan A, Meerhoff GF, Pestana F, Poovathingal S, Reijner N, Koning W, Clement RA, Van der Veen I, Toledo EM, Polzer O, Durá I, Hovhannisyan S, Nilges BS, Bogdoll A, Kashikar ND, Lucassen PJ, Belgard TG, Encinas JM, Holt MG, Fitzsimons CP. Nat Commun. 2024 Jun 18;15(1):5222.

doi: 10.1038/s41467-024-49299-6. PMID: 38890340; PMCID: PMC11189490

Fig. 1: Immunohistochemical and behavioral characterization of hippocampal changes following TBI.

Abstract

Traumatic brain injury (TBI) can result in long-lasting changes in hippocampal function. The changes induced by TBI on the hippocampus contribute to cognitive deficits. The adult hippocampus harbors neural stem cells (NSCs) that generate neurons (neurogenesis), and astrocytes (astrogliogenesis). While deregulation of hippocampal NSCs and neurogenesis have been observed after TBI, it is not known how TBI may affect hippocampal astrogliogenesis. Using a controlled cortical impact model of TBI in male mice, single cell RNA sequencing and spatial transcriptomics, we assessed how TBI affected hippocampal NSCs and the neuronal and astroglial lineages derived from them. We observe an increase in NSC-derived neuronal cells and a concomitant decrease in NSC-derived astrocytic cells, together with changes in gene expression and cell dysplasia within the dentate gyrus. Here, we show that TBI modifies NSC fate to promote neurogenesis at the cost of astrogliogenesis and identify specific cell populations as possible targets to counteract TBI-induced cellular changes in the adult hippocampus.

한글초록요약

외상성 뇌 손상(TBI)은 해마 기능에 장기적인 변화를 초래하며, 이는 인지 기능 저하로 이어질 수 있다. 성체 해마에는 신경 줄기 세포(NSC)가 존재하며, 이들은 뉴런과 성상세포를 생성한다. 본 연구에서는 수컷 생쥐의 TBI 모델을 이용해 단일세포 RNA 시퀀싱과 공간 전사체 분석을 수행한 결과, TBI가 NSC의 분화 경향을 변화시켜 신경세포 생성은 증가하고 성상세포 생성은 감소하는 양상이 나타났다. 이러한 변화는 해마의 유전자 발현 및 세포 구조의 이상과 관련되어 있으며, 특정 세포 집단이 TBI로 인한 병리적 변화를 조절할 수 있는 잠재적 표적으로 확인되었다.

한글논문요약

-Introduction

외상성 뇌손상(TBI)은 해마 기능 저하와 인지장애를 유발하며, 이는 해마의 신경줄기세포(neural stem cells, NSCs)의 활성과 분화 경로 변화와 밀접한 관련이 있다. 성체 해마의 치아이랑(dentate gyrus, DG)은 NSC가 존재하는 대표적인 신경발생 영역으로, NSC는 신경세포(neurons)와 성상세포(astrocytes)를 생성한다. 그러나 TBI가 이러한 NSC의 분화경로 결정(fate determination)에 어떤 영향을 미치는지는 명확히 밝혀지지 않았다. 본 연구에서는 수컷 생쥐를 대상으로 한 중등도 TBI 모델(controlled cortical impact, CCI)을 이용하여, 단일세포 RNA 시퀀싱과 공간 전사체 분석(spatial transcriptomics)을 통해 TBI가 해마 NSC 및 그 유래 세포군에 미치는 영향을 다각적으로 분석하였다.

-Results

TBI 유도 후 DG의 NSC는 성상세포보다는 신경세포 계열로의 분화를 선호하는 경향을 보였다. BrdU 염색에서는 치아이랑 내 세포 증식 증가가 확인되었으며, GFAP 발현은 힐루스(hilus) 영역에서 성상세포의 국소적 증식을 반영하였다. 또한, DCX 양성 신경전구세포의 수와 분지 구조는 증가한 반면, 수상돌기(spine) 밀도는 감소하였다. Morris water maze 실험에서는 TBI 유도 개체에서 공간 기억 및 학습 능력 저하가 관찰되었다.

단일세포 분석 결과, TBI는 해마 주요 세포군의 정체성을 뚜렷하게 바꾸지는 않았으나, NSC 및 성상세포의 비율은 감소하고, 희돌기교세포, 미세아교세포, 내피세포 등 비신경세포 계열의 비율은 증가하였다. 특히 NSC에서 유래한 신경세포 하위군(N-stage)은 증가했고, 성상세포 하위군(A-stage)은 전반적으로 감소하였다. RNA velocity 분석에서도 TBI 후 NSC가 신경세포로 분화될 확률이 높아진 반면, 성상세포로의 전환은 억제되었다.

공간 전사체 분석은 이러한 세포군의 해부학적 재배치를 보여주었으며, NSC 유래 세포들이 원래 위치인 subgranular zone(SGZ)을 벗어나 granule cell layer(GCL)이나 힐루스로 이동하는 현상이 관찰되었다. 또한 유전자 발현 분석에서는 NSC 및 RG-like 세포의 증식 관련 유전자인 Ppp1r14b가 상향 조절되었으며, 성상세포 하위군 간의 역전 전환(A-stage 4 → A-stage 3) 현상도 확인되었다.

-Discussion

본 연구는 외상성 뇌손상이 성체 해마의 NSC 분화경로 결정에 미치는 영향을 단일세포 및 공간 오믹스 분석을 통해 다층적으로 규명하였다. TBI는 NSC의 분화 경로를 신경세포 계열로 편향시키는 한편, 성상세포 생성은 억제하였다. 이로 인해 NSC 유래 신경세포 하위군(N-stage)은 증가하고, 성상세포 하위군(A-stage)은 특정 아형에서 현저히 감소하였다. 이러한 세포군의 공간 재배치는 조직 구조와 회로 통합에도 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.

RNA velocity 분석은 TBI 후 NSC의 자기재생 능력이 감소하고 RG-like 세포의 증식이 유도된다는 점을 보여주었다. 특히 Ppp1r14b 유전자의 발현 증가는 TBI 관련 세포 반응의 분자적 지표로 기능할 가능성이 있으며, NSC 기반 치료 전략의 표적으로 고려될 수 있다. 또한 A-stage 간 전환의 비대칭성과 공간적 재분포는 성상세포 반응의 이질성과 복잡성을 보여준다.

본 연구는 기존의 "TBI 후 신경세포 생성 증가"라는 관찰에 더해, 이러한 신경가소성 증가가 NSC의 성상세포 분화 억제라는 대가로 이루어진다는 새로운 관점을 제시하였다. TBI 이후 뇌의 재생 메커니즘을 보다 정밀하게 이해하고, 회복을 촉진하기 위한 표적 세포 및 유전자 기반 치료 전략 개발에 중요한 기초 자료를 제공한다.