On functional heterogeneity of micro- and astroglia

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Neuroglia is an important component of the nervous system, and its role in the brain has recently been actively reconsidered. In addition to maintaining the homeostasis of the central nervous system (CNS), glial cells are involved in the pathogenesis of many brain diseases, which makes their further study highly relevant translationally. With the development of novel research methods, data on greater heterogeneity of glia cells are becoming available, calling for revising the existing classification of microglia and astroglia, as some of them do not fit into the current binary paradigm. Here, we discuss cross-taxon features of microglia and astrocyte cells in mammals and zebrafish, and recent data on glia in normal and pathological conditions, which may form the basis for a new systematics of neuroglia and, eventually, help identify novel therapeutic targets.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Нейроглия является важной составляющей нервной системы и представляет собой гетерогенную группу клеток, которая включает астроциты, микроглиальные клетки, олигодендроциты, эпендимоциты и их предшественники [1]. Долгое время основной функцией нейроглии считалось обеспечение жизнедеятельности, питания и “тропной” поддержки нейронов. Однако в последнее время понимание биологической роли нейроглии существенно расширяется [2, 3], включая модуляцию активности нейронов [4], нейротрансмиссии [5, 6], про- и противовоспалительных процессов в мозге [7].

Микроглиальные клетки представлены популяцией резидентных макрофагов мозга, выполняющих как иммунную функцию, так и модулирующих синаптическую пластичность, активность нейронов [8–12] и патогенез ряда заболеваний ЦНС. В частности, микроглия экспрессирует многие гены, ассоциированные с болезнями Альцгеймера и Паркинсона, синдромом Ретта, шизофренией, аутизмом и рассеянным склерозом [13–17, 18]. Характерной особенностью микроглии является ее выраженная трансформация в ответ на патологию ЦНС, когда при повреждении мозга клетки микроглии принимают амебоидную форму, мигрируют к месту поражения и фагоцитируют патогены [19, 20]. До появления иммунологических и молекулярных методов исследования морфологическая трансформация микроглии считалась первичным признаком ее активации при патологии ЦНС [21, 22], переходя от противовоспалительного М2-фенотипа к провоспалительному цитотоксическому М1-фенотипу [23]. Однако в настоящее время показано, что микроглия активна и в здоровом мозге, а ее морфофизиологические особенности скорее всего отражают изменение функций, что требует пересмотра и создания новых классификаций микроглии [24].

Вопрос о классификации астроцитов также актуален, поскольку реактивная микроглия провоцирует «активацию» провоспалительных А1-астроцитов [25] на фоне снижения протекторных (по аналогии с М2-микроглией) А2-астроцитов [26]. Отдельно существует проблема гомологии подтипов микро- и астроглии между разными биологическими таксонами, требуя понимания морфофункциональных особенностей данных клеток у различных позвоночных организмов. В работе рассматривается современное состояние исследований микро- и астроглии млекопитающих (грызунов) и рыб зебраданио (zebrafish, Danio rerio), которые могут лечь в основу более полной систематики нейроглии. Это позволит составить реалистичную картину роли глиальных клеток в норме и при патологиях ЦНС, что в свою очередь может способствовать выявлению новых терапевтических мишеней.

ОНТОГЕНЕЗ НЕЙРОГЛИИ

Микроглия как резидентные мозговые макрофаги [27] у мышей возникает тремя путями [28] (см. рис. 1). Источником микроглии в эмбриональном периоде являются миелоидные предшественники (eEMP) с фенотипом c-KitloCD41lo – низкой экспрессией тирозинкиназы c-Kit и интегрина альфаIIb (CD41). У мышей такой фенотип клеток возникает примерно на 8-й эмбриональный день в желточном мешке, т.е. до закладки других типов глиальных клеток [29]. Далее из этих клеток возникают премакрофаги (pMF), которые проникают в развивающийся мозг через сосудистую сеть [30]. Эмбриональное происхождение eEMP также имеют и остальные макрофаги взрослой ЦНС, защищенной гематоэнцефалическим барьером (ГЭБ), тогда как большинство макрофагов вне ЦНС заменяется первой гемопоэтической волной из myb-зависимых эритроидных миелоидных предшественников (EMPs) [31].

 

Рис. 1. Предполагаемый онтогенез микроглиальных клеток у грызунов (а) и в моделях in vitro (b). Предшественниками микроглии являются миелоидные предшественники (eEMP), возникающие на 8-й эмбриональный день в желточном мешке, из которых происходит генерация премакрофагов (pMF), проникающие в закладку мозга через сосудистую сеть и в дальнейшем дифференцирующиеся в разные подтипы микроглиальных клеток. Указаны подтипы микроглии, выделенные на основе дифференциальной экспрессии маркеров (см. табл. 1): Iba1 – ионизированная кальций-связывающая адаптерная молекула 1, CR3 – фагоцитарный рецептор системы комплемента, CD11b – интегрин альфа-M, Hox8b-гомеобоксный белок, CD45 – тирозиновая протеинфосфатаза C рецепторного типа, CX3CR1 – хемокиновый рецептор 1 с мотивом CX3C (рецептор фракталкина), TREM2 – триггерный рецептор, экспрессируемый на миелоидных клетках 2. При дифференциации микроглии in vitro (b) используются протоколы, начинающиеся с плюрипотентных стволовых клеток (iPSCs), путем их перепрограммирования с помощью сверхэкспрессии ряда транскрипционных факторов с последующей дифференциацией в гемангиобласты, примитивные эритробласты и примитивные макрофаги. Современные протоколы дифференциации iPSCs позволяют преобразовать их в нейроны, астроциты и олигодендроциты

 

Таблица 1. Некоторые дифференциально экспрессируемые маркеры микроглии у грызунов

Подтипы микроглиии

Дополнительные маркеры

клеток

Функция

Ссылки

KSPG-микроглия

Iba1, CR3, CD11b

Появляется при патологических состояниях нервной системы, таких как болезнь Альцгеймера, травмы мозга и инсульт

[62, 63, 65]

Hox8b-микроглия

Iba1, CD11b

Вовлечена в регуляцию тревожности, груминга и социального поведения

[33, 67, 69]

СD11с-микроглия

Iba1, CD11b, CD45low, CX3CR1

Регулирует процессы нейрогенеза и миелинизации

[71]

TREM2-микроглия

–

Регулирует пролиферацию, выживаемость и метаболизм клеток, вовлечена в патогенез болезни Альцгеймера

[73, 74]

 

Окончательный гемопоэз начинается у мышей с генерации гемопоэтических стволовых клеток (HSC) на 11-й день, которые (как и EMPs) сначала локализуются в печени плода, а затем в костном мозге [32]. Микроглия, происходящая из EMPs, сохраняется на протяжении всей взрослой жизни [32], однако некоторые ее субпопуляции могут возникать на 13-й эмбриональный день в результате второй волны кроветворения [33]. Интересно, что приобретение идентичности микроглии in situ происходит в результате воздействия местных тканеспецифичных факторов [34], включая трансформирующий фактор роста TGF-β [35], тогда как характерные признаки микроглии (экспрессия маркерных генов и эпигенетические метки) быстро теряются при культивировании клеток ex vivo [36, 37]. Изучение происхождения микроглии у рыб зебраданио показало вклад трех потенциальных предшественников микроглии (eEMP, EMP и HSC), пространственное и временное распределение которых легче определить, чем у мышей, благодаря прозрачности тканей эмбрионов рыб [38]. Микроглия у эмбрионов зебраданио происходит из c-myb-независимых eEMP, однако после рождения замещается c-myb-зависимыми клетками, происходящими из HSC [38]. И хотя еще предстоит показать, различаются ли функционально популяции микроглии рыб из eEMP и HSC, онтогенез макрофагов мозга может быть не только более сложным, чем считалось ранее, но и существенно отличаться у разных таксонов.

Предшественниками астроцитов в нервной системе млекопитающих считаются клетки радиальной глии (рис. 2), развивающиеся из нейроэпителия и являющиеся первичными стволовыми клетками-предшественниками нейронов [39]. Они располагаются в вентрикулярной зоне головного мозга и под воздействием региональных сигналов, например, дорсального костного морфогенетического белка (BMP) и вентрального белка Shh (Sonic hedgehog), дифференцируются в разные подтипы предшественников, способных генерировать нейроны, астроциты, олигодендроциты и эпендимоциты [40, 41]. Данное региональное разнообразие клеток-предшественников лежит в основе не только гетерогенности нейронов, но и обеспечивает развитие глиальных подтипов на более поздних стадиях онтогенеза [42].

 

Рис. 2. Предполагаемый онтогенез астроцитов млекопитающих. Предшественниками астроцитов в нервной системе млекопитающих являются клетки радиальной глии (RGC), развивающиеся из клеток нейроэпителия (NEC). Указаны популяции по бинарной A1/A2 классификации астроцитов с уникальными для подтипов маркерами: C3 – белок системы комплемента, BP2 – белок связывания инсулин-подобного фактора роста 2, Serping1 – белок семейства серпинов G, Vim – структурный белок виментин, S100β – кальций-связывающий белок B семейства S100, PTX3 – белок семейства пентраксинов, S1Pr3 – рецептор 3 сфингозин-1-фосфата, Tweak – ассоциированный с клеточной поверхностью трансмембранный белок II типа, TGF-β – трансформирующий фактор роста-β, ALDHIL1 – 10-формилтетрагидрофолат дегидрогеназа

 

МИКРОГЛИЯ

ТРАДИЦИОННАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ

Активация микроглиальных клеток может быть запущена экзогенными сигналами, например, патоген-ассоциированными молекулярными паттернами (pathogen-associated molecular patterns, PAMP: структурами инфекционного происхождения, бактериальными липополисахаридами, патогенным генетическим материалом и вирусами [43]) либо эндогенными сигналами, например, молекулярными паттернами, ассоциированными с повреждениями клетки (damage-associated molecular patterns, DAMPs: нуклеотидами, белковыми агрегатами, в т.ч. β-амилоидными бляшками Aβ) и цитокинами, секретируемыми клетками микро- и астроглии [44, 45].

М1-поляризация макрофагов активируется сигнальным каскадом с участием STAT1, который является фактором транскрипции [46] и активирует транскрипционный фактор и интерферон-регулирующий фактор 5 (IRF5), стимулируя выработку провоспалительных цитокинов интерлейкинов (IL) IL-6, IL-1β, IL-12, IL-23 и фактора некроза опухоли (TNF), а также хемокинов CCL5, CCL20, CXCL1, CXCL9, CXCL10, рекрутирующих клетки иммунной системы [23]. Такая активированная М1-микроглия характеризуется экспрессией NADPH-оксидазы, генерирующей супероксид-радикал и активные формы кислорода (АФК), индуцибельной NO-синтазы (iNOS) и матриксной металлопротеиназы 12 (MMP-12) [47, 48], а также белков CD16 и CD32 (мембранных рецепторов IgG), СD40 и СD86 (антигенов активации Т-лимфоцитов) [49, 50], белков главного комплекса гистосовместимости MHC II, мобилизирующего иммунные клетки для воспалительного ответа [50] (см. рис. 1).

В свою очередь, IL-4, IL-13 и IL-10, а также транскрипционный фактор PPARγ, активируют противовоспалительный М2-фенотип, способствуя восстановлению гомеостаза нервной системы [51]. М2-микроглия секретирует противовоспалительные цитокины (IL-10, IL-4 и TGFβ), хемокины (CCL2, CCL22, CCL17, CCL24), факторы роста (инсулиноподобный фактор роста I, фактор роста фибробластов FGF, колониестимулирующий фактор 1 CSF-1), нейротрофические факторы (фактор роста нервов NGF, нейротрофический фактор мозга BDNF, нейротрофины 4/5, нейротрофический фактор глиальных клеток GDNF) и програнулин [50, 52]. М2-клетки характеризуются поверхностными маркерами, в частности CD206 (маннозный рецептор, который распознает остатки гликановых цепочек белков на поверхности микроорганизмов) [53] и CD163 (скавенджер-рецептор, участвующий в очищении организма от комплексов гемоглобин-гаптоглобин и таким образом снижающий окислительный стресс) [54]. Важными биомаркерами являются экспрессия М2-клетками аргиназы-1 (ARG1), расщепляющей аргинин на мочевину и орнитин (для образования пролина и полиамидов, необходимых для восстановления тканей) [55, 56], а также соотношение в клетках микроглии секретируемых интерлейкинов и поверхностных рецепторов (например, IL-12high/IL-10low [57] и CD14high/CD16 − характеризует М1, а CD14low/CD16+ М2-фенотип микроглии) [58]. Определение промежуточных фенотипов между М1 и М2 осуществляется путем анализа маркеров, относимых одновременно к двум фенотипам (например, CD86+/CD206+). Наличие М1-маркеров MHCII и CD86 на фоне высокого уровня IL-10 и низкого уровня IL-12, а также отсутствия FIZZ1 и Ym1 (что характерно для М2) может свидетельствовать о промежуточном микроглиальном фенотипе [23].

Однако разделение микроглии на два полярных фенотипа в настоящее время активно пересматривается, поскольку микроглиальные клетки выполняют различные функции в ЦНС, неодинаково реагируют на триггеры и характеризуются разными молекулярными маркерами [24]. Другим аргументом в пользу пересмотра бинарной классификации микроглии является ее региональная гетерогенность. Например, в зависимости от структуры мозга различаются скорость самообновления микроглии как в нормальных условиях, так и при действии внешних стимулов [59, 60], а также дифференциальная экспрессия генов [61], часто оцениваемая для определения субпопуляций клеток других тканей, но лишь недавно примененная к микроглии (см. табл. 1 и рис. 1). Далее будут рассмотрены некоторые недавно охарактеризованные подтипы нейроглиальных клеток, отражающие их более сложную гетерогенную природу и функциональную роль в ЦНС.

НОВЫЕ ПОДТИПЫ МИКРОГЛИИ

KSPG-микроглия. Для микроглии грызунов характерна гетерогенность экспрессии кератансульфат-протеогликана (KSPG) внеклеточного матрикса, который участвует в регуляции клеточной адгезии и роста аксонов [62]. Активно экспрессирующий его подтип микроглии (т.н. KSPG-микроглия) выявляется с помощью антитела 5D4 преимущественно в гиппокампе, стволе мозга и обонятельных луковицах, а также в коре и мозжечке. С морфологической точки зрения данная субпопуляция является клетками разветвленной микроглии и характеризуется маркерами Iba1 (воспалительный фактор аллотрансплантата 1), CR3 и CD11b [62, 63]. CR3 представляет собой фагоцитарный рецептор системы комплемента, вовлеченный в регуляцию клиренса растворимого бета-амилоида, указывая на роль микроглии в патогенезе болезни Альцгеймера [64]. KSPG-микроглия также обнаружена в мозге грызунов при патологических процессах, в т.ч. в моделях инсульта, нейротравмы и бокового амиотрофического склероза [65, 66].

Hox8b-микроглия. К данной субпопуляции можно отнести разветвленные микроглиальные клетки, описанные в коре и обонятельных луковицах, характеризующиеся наличием Iba1 и CD11b, и экспрессирующие ген Hox8b [33, 67]. Эти клетки сосуществуют с Hoxb8-негативной субпопуляцией, при этом не различаясь в экспрессии других сигнатурных генов микроглии (Tmem119, Sall1, Sall3, Gpr56 и Ms4a7) и генов гемопоэтического онтогенеза (Clel12a, Klra2 и Lilra5) [33, 68]. Интересно, что Hoxb8 экспрессируется не во взрослом мозге, а микроглиальными предшественниками до инфильтрации ЦНС [33]. На сегодня нет однозначного ответа о функциях Hox8b-микроглии, однако нокаут по гену Hoxb8 у мышей приводит к выраженным нарушениям ЦНС – повышенной тревожности, патологическому грумингу и дефициту социального поведения [69], указывая на большую значимость данного гемопоэтического гена в ЦНС.

СD11с-микроглия. В отдельную субпопуляцию выделяют клетки, экспрессирующие интегрин 11с (CD11c) [70], которые обнаруживаются преимущественно в мозолистом теле и белом веществе мозжечка. Данный тип микроглии экспрессирует гены нейрогенеза и миелинизации, а также секретирует инсулиноподобный фактора роста 1 (IGF1), снижение уровня которого нарушает миелинизацию в процессе развития. Таким образом, вероятной функцией CD11c-микроглии в мозге неонатальных мышей является участие в нейро- и миелиногенезе. Морфологически эти клетки являются разветвленной микроглией и экспрессируют в качестве биомаркеров Iba1, CD11b и CX3CR1 [71].

TREM2-микроглия. Микроглия также гетерогенна по уровню экспрессии триггерного рецептора 2 (TREM2) на миелоидных клетках [72]. Как и CR3, TREM2 вовлечен в патогенез болезни Альцгеймера, координируя кластеризацию клеток вокруг бляшек Aβ, а также регулируя пролиферацию, выживаемость и метаболизм клеток мозга [73]. Самая высокая плотность TREM2-позитивной микроглии обнаруживается в поясной извилине и латеральной энторинальной коре, в то время как в гипоталамусе и уздечке плотность данных клеток низкая, а в околожелудочковых областях они отсутствуют [74].

Микроглия, поддерживающая нейрогенез. Отмечается также выраженная гетерогенность микроглии по наличию фракталкинового рецептора CX3CR1: экспрессирующие его клетки менее разветвленной микроглии обнаружены в субвентрикулярной зоне и обонятельной луковице [75, 76]. У взрослых мышей в субвентрикулярной зоне они являются TREM2-отрицательными клетками, а половина из них – Iba1-отрицательными. В обонятельной луковице эти клетки, наоборот, экспрессируют TREM2, а треть из них – CD68. Предполагается, что данная субпопуляция микроглии необходима для выживания нейробластов и их миграции [61, 77].

Сателлитная микроглия. Отдельно можно выделить т.н. сателлитную микроглию – неразветвленные глиальные клетки, контактирующие с сомой нейронов [78]. Они располагаются преимущественно в коре, гиппокампе, таламусе и полосатом теле и характеризуются классическими микроглиальными маркерами Iba1, CD11b и CX3CR1 без собственных уникальных маркеров [78, 79]. Впервые обнаруженная у мышей, эта микроглия в настоящий момент также найдена у крыс и приматов [3, 79].

Темная микроглия. Так называемая «темная» (т.е. более оптически плотная) микроглия взаимодействует с сосудами и обнаруживается в гиппокампе, коре, гипоталамусе и миндалине. В отличие от остальных популяций, она содержит маркеры окислительного стресса (конденсированную цитоплазму, гипертрофированный аппарат Гольджи и изменения морфологии митохондрий) [80]. Интересно, что при болезни Альцгеймера плотность темной микроглии увеличивается, что свидетельствует о повышении уровня окислительного стресса на фоне развития патологии [81]. Также темная микроглия слабо экспрессирует Iba-1 и CX3CR1 и характеризуется наличием CD11b, TREM2 и 4d4, а также, вероятно, участвует в ремоделировании сосудов и поддержании ГЭБ [82, 83].

ИНЫЕ КЛАССИФИКАЦИИ МИКРОГЛИИ

В качестве дополнительной классификации микроглии можно использовать экспрессию уникальных комбинаций биомаркеров при различных патологических состояниях нервной системы. Такая DAM-микроглия (disease-associated microglia) является TREM2-позитивной с повышенной экспрессией генов Apoe, Axl и Spp1 и сниженной экспрессией Cx3cr1 и P2ry12 [84, 85]. Онтогенетически данные клетки происходят от резидентных клеток микроглии и воспалительных макрофагов. Наиболее ярким примером является фенотип MGnD – микроглия, ассоциированная с болезнью Альцгеймера и рассеянным склерозом [86], которая обнаружена как в модели болезни Альцгеймера на мышах линии 5XFAD, так и в образцах мозга пациентов с данной патологией. При этом у человека обнаружен отдельный тау-ассоциированный кластер микроглии, не выявленный на мышах, что указывает на возможность межвидовой гетерогенности микроглиальных клеток [87]. Вопросы о функциональной роли данной субпопуляции остаются открытыми, однако известно, что переход к фенотипу MGnD регулируется TREM2 [84, 88, 89]. Хотя MGnD уделяется больше внимания как первому изученному DAM-фенотипу, он не единственный: например, описаны фенотипы микроглии, реагирующие на интерферон (IRM) [90], накапливающие липидные капли (LDAM) [91], ассоциированные с боковым амиотрофическим склерозом (ALS) [92], глиомой (GAM) [93], а также болезнью Паркинсона (PD) [94]. Некоторые из DAM-фенотипов, характерные для патологических состояний во взрослом возрасте, также обнаруживаются в развивающейся нервной системе человека, позволяя предположить, что при нейродегенеративных патологиях реактивируются транскрипционные программы развития [95].

Актуальным вопросом является также изменение фенотипа микроглии при хроническом стрессе. На грызунах показано, что на его фоне происходит развитие воспалительной реакции в мозге, ключевую роль в которой играет провоспалительный цитокин IL1β [96, 97]. При этом данные о развитии нейровоспаления разнятся в моделях in vitro и in vivo. В частности, активация адренорецепторов микроглии in vivo оказывает провоспалительный, а in vitro – обратный эффекты [98, 99]. Также интересно праймирование микроглии в результате хронического стресса, в результате чего у грызунов развивается гиперчувствительность к стрессу, которая сохраняется и после прекращения его действия [100]. Это поднимает вопрос о длительных изменениях микроглии после воздействия стресса, в т.ч. на фоне аффективных патологий, а также о возможной их коррекции путем модуляции микроглии и ее праймирования.

ОСОБЕННОСТИ МИКРОГЛИИ ЗЕБРАДАНИО

Важным также является анализ межвидовых морфофункциональных особенностей микроглии, понимание которых может иметь трансляционную значимость. В целом экспрессия микроглиальных биомаркерных генов (irf8, spi1, csf1ra, csf1rb, mpeg1.1, slc7a7, p2ry12 и p2ry13) высококонсервативна у зебраданио, грызунов и человека. Так, экспрессия микроглиальных генов у зебраданио на 43–45% совпадает с таковой у грызунов [101]. При этом наиболее консервативны гены, которые относятся к метаболическим процессам, развитию организма и иммунной реакции, а наименее консервативны гены, ассоциированные с реакцией микроглии на стресс [101]. Молекулярное фенотипирование микроглии рыб зебраданио развито намного меньше, чем у грызунов, так как большинство дифференциально экспрессируемых маркеров у зебраданио не описано. Исключение составляет TREM2, который участвует в переключении микроглиальных фенотипов у грызунов [102, 103]. И хотя показана роль TREM2 в противовоспалительной активности как зебраданио, так и грызунов, не до конца понятно, насколько его экспрессия у рыб дифференциальна и подходит для классификации [104].

Термин DAM-микроглия применительно к зебраданио на данный момент также не встречается, однако описан транскриптом зебраданио в модели болезни Альцгеймера, что, по сути, может быть основополагающим для распространения данной классификации и на этот модельный организм. В частности, в модели болезни Альцгеймера на зебраданио происходит изменение экспрессии 353 генов в мозге по сравнению с контролем, в то время как у человека обнаружено 128 дифференциально экспрессируемых гена [105]. Однако, несмотря на разницу в количестве таких генов у разных видов, часть из них вовлечены в общие процессы, включая презентацию антигенов, гомеостаз железа и лизосомальную активность [105].

АСТРОГЛИЯ

ТРАДИЦИОННАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ

Как и для микроглии, к астроцитам также была применена бинарная классификация (рис. 2). Считалось, что фенотип А1 является провоспалительным и индуцируется цитокинами М1-микроглии (например, Il1α, TNF и C1q), а его клетки претерпевают морфологические и геномные изменения, переставая выполнять полезные функции (например, сопровождение синапсов) и становясь нейротоксичными [25], в отличие от А2-фенотипа (см. далее). На клеточных культурах показано, что А1-астроциты секретируют нейротоксин, запускающий нейроапоптоз [106, 107]. Кроме того, они способны вызывать гибель олигодендроцитов и замедлять дифференцировку их предшественников, приводя к гипомиелинизации [106], а также усиливать синаптическое торможение, приводя к когнитивным нарушениям у мышей [108]. Провоспалительное действие А1-астроцитов реализуется за счет секреции белка C3 – участника системы комплемента [106]. А1-астроглия может усугублять состояние нервной системы при различных патологиях. Так, высокий уровень экспрессии С3 обнаруживается у пациентов с болезнью Альцгеймера, а ингибирование рецептора С3 (C3aR) устраняет когнитивные нарушения в модели болезни Альцгеймера на мышах [109]. С3 также является участником микроглиально-астроцитарного взаимодействия: микроглия первая активируется при появлении патологических стимулов и далее активирует астроциты, которые в свою очередь модулируют активацию, миграцию и фагоцитоз у микроглии посредством секреции цитокинов [110].

В модели болезни Альцгеймера у мышей снижение С3 приводит к подавлению М1-микроглии и провоспалительных цитокинов, ослабляя нейродегенерацию [111], а повышение уровня этого белка наоборот – к усилению микроглиального фагоцитоза и раннему разрушению синапсов [112]. Поврежденные нейроны, в свою очередь, рекрутируют дополнительные реактивные астроциты и микроглию. Таким образом, взаимодействие между микро- и астроглиальными провоспалительными клетками может быть синергичным и контекст-зависимым при нейродегенеративных заболеваниях. Более того, молекулярные характеристики А1-клеток по результатам транскриптомного анализа указывают на дифференциальную экспрессию ряда маркерных белков (C3, GBP2, H2-D1 и Serping1 [113], которые даже в рамках одного подтипа астроцитов могут иметь различную чувствительность и специфичность при разных патологиях ЦНС [114].

А2-фенотип, как и А, традиционно считался противовоспалительным и способствующим выживанию, росту и восстановлению нейронов [115]. А2-астроциты характеризуются дифференциальной экспрессией маркерных генов, кодирующих кальций- связывающий белок S100 A10 (S100a10), пентраксин-3 (PTX3), S1Pr3 и Tweak [113]. Функциональная роль А2-астроцитов в большинстве случаев противоположна А1-типу, подавляя активацию микроглиальных клеток за счет секреции трансформирующего фактора роста-β (TGF-β) [116] и способствуя дифференцировке олигодендроцитов и защите белого вещества при повреждении мозга [117]. С другой стороны, в модели неонатального повреждения белого вещества у мышей А2-астроциты нарушают миелинизацию посредством секреции простагландина E2, таким образом (как и А1-тип) демонстрируя важность контекста [118]. В целом остается большое количество вопросов о роли астроцитов в ЦНС и подборе терапии при повреждении мозга (табл. 2). Тем не менее в настоящее время бинарная классификация астроцитов является скорее упрощением, не отражающим всего набора фенотипов астроцитарных клеток и требующим дальнейшего пересмотра классификации всей системы глиальных клеток [24, 26, 119].

 

Таблица 2. Отдельные открытые вопросы области изучения гетерогенности глиальных клеток

Открытые вопросы

Каким образом контекст-зависимые изменения экспрессии генов микроглии и астроцитов влияют на функциональные свойства глии?

Какие подходы могут быть использованы для пересмотра классификации глиальных клеток с учетом функциональной роли различных популяций и контекст-зависимых состояний?

Является ли подход к систематизации глиальных клеток на основании РНК-секвенирования релевантным без учета данных по протеому и метаболому?

В какой степени результаты исследований на модельных объектах, таких как зебраданио и грызуны, могут быть экстраполированы на человека, учитывая различия в экспрессии генов и клеточных фенотипах?

Как отсутствие коры у рыб зебраданио и сильное развитие коры у человека влияют на выявление гомологии клеточных популяций глии у рыб, грызунов и человека?

Чем обусловлена большая гетерогенность микроглиальных клеток человека по сравнению с животными модельными организмами? Какие функции выполняют уникальные для человека популяции клеток и какие подходы оптимальны для их изучения?

Как систематизировать и сравнивать данные по глиальным клеткам между различными модельными объектами, учитывая различия в гетерогенности клеток у разных видов?

Данные о происхождении микроглиальных клеток грызунов получены преимущественно на одной линии мышей. Насколько эти результаты релевантны для других линий и видов грызунов?

Данные РНК-секвенирования, на основании которых осуществляются попытки пересмотра классификации лишь косвенно могут свидетельствовать о функции клеток. Каким образом оценить функции фенотипов, выделенных на основе РНК-секвенирования?

Какие функции выполняют уникальные популяции микроглии у разных модельных объектов?

Каким образом глиальные клетки вовлечены в процесс регенерации нервной системы у зебраданио?

Насколько патоген-ассоциированные фенотипы глиальных клеток (DAM) сопоставимы у разных модельных организмов?

Насколько одинаковы патоген-ассоциированные фенотипы глиальных клеток (DAM) в разных моделях одной патологии, например, в генетической модели болезни Альцгеймера и при введении бета-амилоида?

Как влияет среда на изменение фенотипа микроглии? Как местные тканеспецифичные факторы влияют на приобретение идентичности микроглии in situ?

Насколько общепринятые маркеры глиальных клеток (такие как GFAP для астроцитов и Iba-1 для микроглии) являются адекватным способом оценки общего пула глиальных клеток, учитывая дифференциальную экспрессию у разных популяций?

Отражает ли разница в уровне экспрессии KPSG в микроглии у разных линий крыс функциональные различия, связанные с ролью данной микроглии?

Какие новые открытия в области нейробиологии микроглии и астроглии могут изменить текущие представления о патогенезе нейродегенеративных заболеваний и подходах к их лечению?

Каков потенциал клеточной терапии на основе А2-астроцитов при нейродегенеративных заболеваниях, нейровоспалении, ишемии и черепно-мозговой травме?

Каков субпопуляционный состав астроцитов (и их динамика) в ходе онтогенеза зебраданио, мыши и человека?

Каковы отличия фенотипов глии in vitro, in vivo, в in vitro 2D-, 3D-моделях, органоидах и ассемблоидах?

 

НОВЫЕ ПОДХОДЫ К КЛАССИФИКАЦИИ АСТРОЦИТОВ

Проблема гетерогенности астроцитов также активно обсуждается в литературе. Например, известно, что астроциты обладают дифференциальной экспрессией генов в зависимости от расположения в разных слоях коры, образуя как минимум 9 субпопуляций [120]. Данная экспрессия изменяется при индукции опосредованного липополисахаридом (LPS) нейровоспаления, выявляя две основные популяции наиболее реагирующих клеток. Первая экспрессирует гены, типичные для белого вещества (Vim, кодирующий структурный белок виментин) и глубоких слоев коры (Id3, кодирующий ингибитор ДНК-связывающего белка), а при нейровоспалении – гены нейропротекции (ингибитор металлопротеиназ Timp1, антиоксидантная глутатионпероксидаза Gpx1, нейропротекторный белок теплового шока Hspb1 и подавляющий нейротоксичность белок Gap43) [120]. Кроме того, этот кластер экспрессирует гены, индуцируемые интерфероном (Psmb8, Ifitm3), а также вовлеченные в процесс презентации антигена (H2-K1, H2-T23, H2-D1, кодирующие антигены гистосовместимости) и маркерный ген Timp1 [120]. Вторая популяция астроцитов, наоборот, практически не обнаруживается в состоянии покоя, но при воспалении характеризуется экспрессией генов, участвующих в регуляции IFN-зависимой транскрипции (Stat1 и Stat2), а также в обработке (Tap1 и Tap2) и презентации антигенов (H2-Q4, H2-K1, H2-Ab1, H2-D1 и H2-T23) [120]. Вероятно, эти астроциты увеличили свою способность к презентации антигенов в результате воздействия интерферонов. Эта популяция обнаруживается в области боковых и третьих желудочков, гиппокампа и первого слоя коры, где клетки активно взаимодействуют с сосудами [120].

Другие субпопуляции астроцитов также реагируют на воспаление, однако в меньшей степени. Например, подгруппа, которая в норме демонстрирует высокий уровень астроцитарного маркера Gfap и маркера синаптогенеза Thbs4 [120], при воспалении начинает экспрессировать гены C3, CD109 (белка, подавляющего TGF-β сигналинг) и Igfbp7 (фактора, который тормозит VEGF-индуцированный ангиогенез). Среди субпопуляций астроглии, которые менее вовлечены в воспалительный процесс, обнаруживается группа клеток, экспрессирующих синаптомоделирующий ген Sparc26, характерный для олигодендроцитов ген Nkx6-2, и ген субъединицы AMPA-рецептора глутамата Gria1 [120], высококонсервативной у зебраданио, грызунов и человека [121]. В целом в настоящий момент существуют предпосылки для формирования фенотипов астроглии, ассоциированных с болезнями наподобие DAM-фенотипов микроглии, что позволило бы определить маркеры патологий и потенциальные терапевтические мишени. Например, отмечена активация и изменение фенотипа астроцитов при старении, нейродегенеративных заболеваниях (включая болезни Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона), инфекциях ЦНС и острой черепно-мозговой травме [106, 122–126].

ОСОБЕННОСТИ АСТРОЦИТОВ ЗЕБРАДАНИО

Важным межтаксонным отличием ЦНС млекопитающих от зебраданио является отсутствие у рыб звездчатых астроцитов [127]. Изначально предполагалось, что функцию астроцитов у зебраданио выполняют некоторые специализированные клетки радиальной глии, которые экспрессируют глиальные биомаркеры (например, глиальный кислый фибриллярный белок GFAP), являются нейрональными предшественниками и, соответственно, вовлечены в нейрогенез [128]. С использованием конфокальной микроскопии показано, что клетки радиальной глии у рыб начинают превращаться в астроцитоподобные на второй день после оплодотворения и обладают дополнительными признаками, характерными для астроцитов млекопитающих, включая экспрессию глутаминсинтазы (GS). Также показано, что критическую роль в морфогенезе астроцитов зебраданио играют рецепторы фактора роста фибробластов (fgfr3 и fgfr4) [129]. Тем не менее пока нет однозначных доказательств, что астроциты зебраданио аналогичны астроцитам млекопитающих.

Астроциты также активно участвуют в процессе регенерации ЦНС рыб, представляя одну из ключевых особенностей данного модельного объекта. Например, при перерезке спинного мозга у зебраданио, в отличие от млекопитающих, происходит образование клетками радиальной глии не глиального рубца, а глиальных мостиков, которые помогают вновь соединить перерезанный спинной мозг и обеспечивают субстрат для последующего отрастания аксонов [128]. В целом ответ нейроглии на перерезку спинного мозга повторяет реакцию нейрогенеза, и поэтому модуляция астроцитов, направленная на формирование или усиление радиального глиального фенотипа, может способствовать более благоприятной регенеративной реакции ЦНС у млекопитающих.

ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИЗУЧЕНИЯ НЕЙРОГЛИИ

Вопрос о классификации глиальных клеток является актуальным и крайне важным. С одной стороны, основной проблемой при изучении микроглии является устоявшееся применение к ней бинарной М1/М2 номенклатуры периферических макрофагов, что ограничивает представления об их роли в ЦНС рамками регуляции иммунитета. Та же проблема существует и для бинарной классификации астроцитов, фиксируя представление об их фенотипах, как токсичных или нейропротекторных, без учета конкретного состояния нервной системы, которое вариативно при различных патологиях. С другой стороны, отказ от “удобной” полярной дихотомии вызывает необходимость построения новой классификации нейроглии. В настоящий момент ее пытаются решить путем использования данных РНК-секвенирования для выявления общих популяций клеток по паттернам генной экспрессии. Однако изменение уровня экспрессии генов может лишь косвенно свидетельствовать о функции клеток, а также не отражает их анатомическое расположение. Более того, многие маркерное гены могут иметь непостоянный (флуктуирующий) уровень экспрессии, что может отражать сложную динамику патологических состояний ЦНС, в то время как контекст-зависимые, вновь описанные субпопуляции микроглии в основном отражают специфические состояния активации уже существующей микроглии, а не смесь отдельных субпопуляций.

Также очевидна проблема систематизации данных между различными модельными объектами (в виду гетерогенности клеток у разных видов), что также осложняет и трансляцию полученных результатов на человека. Например, его микроглия представлена множеством подтипов, в то время как у других видов, включая мышей и обезьян, такой значительной гетерогенности не наблюдается, либо она еще не изучена. Кроме того, у человека и грызунов обнаруживается большое количество дифференциально экспрессируемых генов микроглии, в том числе связанных с нейродегенеративными заболеваниями, что также свидетельствует о возможной значительной межтаксонной разнице в функционировании нейроглии [130].

Тем не менее изучение глиальных клеток на относительно новых (для нейробиологии) модельных объектах, в частности рыбах зебраданио, является весьма перспективным как с эволюционно-физиологической, так и с практической точки зрения. Зебраданио являются удобным организмом для создания трансгенных конструкций благодаря особенностям своей генетики и прозрачности эмбрионов, которые быстро развиваются вне организма матери, позволяя визуализировать и манипулировать определенные типы клеток. Так, используя методы CRISPR-Cas9, показана роль рецепторов фактора роста фибробластов (Fgf) в развитии астроцитов зебраданио [129]. Трансгенные линии рыб можно также использовать для визуализации клеточных линий, например, линии с экспрессией флуоресцентного белка в клетках, экспрессирующих маркер астроцитов GFAP [131]. Кроме того, в настоящий момент на рыбах создано большое число генетических моделей расстройств нервной системы, в т.ч. многочисленные трансгенные модели болезней Альцгеймера, Паркинсона и таупатий [132–134]. Это дает возможность охарактеризовать фенотипы микро- и астроглиальных клеток, ассоциированные с патогенезом, что может упростить типизацию высококонсервативных состояний данных типов глии, которые характерны в том числе и для человека.

Изучение уникальных для зебраданио состояний глиальных клеток также является важной задачей, поскольку может дать ответ на вопрос о высокой регенеративной способности нервной системы рыб. Так, предполагается, что регенерация обусловлена взаимодействиями между радиальными глиальными клетками и макрофагами, и опосредуется макрофагальным TNF [135]. Соответственно, выявление новых аспектов нейрорегенерации можно в дальнейшем использовать в терапии человека. Другой вопрос достаточно ли экспрессии генов для определения состояния клетки, поскольку нет однозначного понимания, как изменение экспрессии преобразует клеточный фенотип. Для более полной картины патогенеза необходимы исследования на уровне протеома [136], однако его оценка сложна для более редких модельных объектов, так как ряд методов основаны на использовании антител, которые в настоящий момент разработаны преимущественно для грызунов и человека. Проблему нехватки антител для зебраданио и других модельных объектов можно пытаться преодолеть, используя альтернативные методы исследований, например in situ гибридизацию РНК, которая все еще не позволяет оценить протеом, но по крайней мере решает проблему анатомической локализации экспрессируемых генов [137].

В целом изучение и систематизация глиальных клеток у различных таксонов является актуальной задачей современной эволюционной физиологии и нейробиологии. Пересмотр классификации глиальных клеток активно ведется и, вероятно, будет актуален еще длительное время. Он активно стимулируется развитием новых клеточных и молекулярных методов исследования мозга и накоплением экспериментальных данных, которые не укладываются в традиционную бинарную парадигму. Однако в настоящий момент все еще недостаточно материала для создания новой оптимальной и всеобъемлющей классификации нейроглии. В частности, результаты РНК-секвенирования необходимо дополнять оценкой функциональной роли клеток, их локализации и протеомного профилирования.

В свою очередь, решение вопросов о функциональной роли различных популяций клеток и определение контекст-зависимых состояний может пролить свет на механизмы патогенеза заболеваний нервной системы и определить новые терапевтические стратегии. Помимо проблем трансляционного характера, также остается множество открытых фундаментальных вопросов (см. табл. 2), например, о происхождении микроглиальных клеток, соотносимости астроцитов зебраданио и млекопитающих, а также об особенностях микроглиально-астроцитарных взаимодействий у разных видов животных. Решение этих и других вопросов откроет новые перспективы для будущих исследований в области нейробиологии и патофизиологии глии.

ВКЛАДЫ АВТОРОВ

Идея работы (М.М.К., А.В.К.), проведение исследования (М.М.К., А.К.В., Н.В.С., А.В.К.), анализ и обсуждение результатов (М.М.К., А.В.К.), написание и редактирование манускрипта (М.М.К., А.К.В., Н.В.С., А.В.К.), обсуждение и одобрение финальной версии (М.М.К., А.К.В., Н.В.С., А.В.К.).

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Данная работа финансировалась за счет средств бюджета Научно-технологического университета «Сириус» (проект NRB-RND-2116). А.В.К. поддержан Санкт-Петербургским государственным университетом (Pure ID: 95443748). Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с использованием в качестве объекта человека и животных.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

×

About the authors

М. М. Kotova

Sirius University of Science and Technology

Email: avkalueff@gmail.com

Neurobiology Program, Scientific Center for Genetics and Life Sciences

Russian Federation, Federal Territory Sirius

K. V. Apukhtin

Sirius University of Science and Technology

Email: avkalueff@gmail.com

Neurobiology Program, Scientific Center for Genetics and Life Sciences

Russian Federation, Federal Territory Sirius

V. S. Nikitin

Sirius University of Science and Technology

Email: avkalueff@gmail.com

Immunobiology and Biomedicine Program, Scientific Center for Genetics and Life Sciences

Russian Federation, Federal Territory Sirius

A. V. Kalueff

Sirius University of Science and Technology; St. Petersburg State University; Almazov National Medical Research Center, Ministry of Health of Russian Federation

Author for correspondence.
Email: avkalueff@gmail.com

Neurobiology Program, Scientific Center for Genetics and Life Sciences, Institute of Translational Biomedicine, Institute of Experimental Medicine

Russian Federation, Federal Territory Sirius; St. Petersburg; St. Petersburg

References

  1. Cichorek M, Kowiański P, Lietzau G, Lasek J, Moryś J (2021) Neuroglia – development and role in physiological and pathophysiological processes. Folia Morphol (Warsz) 80: 766–775. https://doi.org/10.5603/FM.a2021.0109
  2. Prinz M, Jung S, Priller J (2019) Microglia Biology: One Century of Evolving Concepts. Cell 179: 292–311. https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.08.053
  3. Rio-Hortega D (1919) El tercer elemento de los centros nerviosos. I. La microglia en estado normal. II. Intervencion de la microglia en los procesos patologicos. III. Naturaleza probable de la microglia. Bol de la Soc esp de biol 9: 69.
  4. Liu Y, Shen X, Zhang Y, Zheng X, Cepeda C, Wang Y, Duan S, Tong X (2023) Interactions of glial cells with neuronal synapses, from astrocytes to microglia and oligodendrocyte lineage cells. Glia 71: 1383–1401. https://doi.org/10.1002/glia.24343
  5. Durkee CA, Araque A (2019) Diversity and Specificity of Astrocyte-neuron Communication. Neuroscience 396: 73–78. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2018.11.010
  6. Ma Z, Stork T, Bergles DE, Freeman MR (2016) Neuromodulators signal through astrocytes to alter neural circuit activity and behaviour. Nature 539: 428–432. https://doi.org/10.1038/nature20145
  7. Carter SF, Herholz K, Rosa-Neto P, Pellerin L, Nordberg A, Zimmer ER (2019) Astrocyte Biomarkers in Alzheimer's Disease. Trends Mol Med 25(2): 77–95. https://doi.org/10.1016/j.molmed.2018.11.006
  8. Akiyoshi R, Wake H, Kato D, Horiuchi H, Ono R, Ikegami A, Haruwaka K, Omori T, Tachibana Y, Moorhouse AJ, Nabekura J (2018) Microglia Enhance Synapse Activity to Promote Local Network Synchronization. eNeuro 5. https://doi.org/10.1523/eneuro.0088-18.2018
  9. Rodríguez-Iglesias N, Sierra A, Valero J (2019) Rewiring of Memory Circuits: Connecting Adult Newborn Neurons with the Help of Microglia. Front Cell Dev Biol 7: 24. https://doi.org/10.3389/fcell.2019.00024
  10. Chen Z, Jalabi W, Hu W, Park HJ, Gale JT, Kidd GJ, Bernatowicz R, Gossman ZC, Chen JT, Dutta R, Trapp BD (2014) Microglial displacement of inhibitory synapses provides neuroprotection in the adult brain. Nat Commun 5: 4486. https://doi.org/10.1038/ncomms5486
  11. Tay TL, Savage JC, Hui CW, Bisht K, Tremblay M (2017) Microglia across the lifespan: from origin to function in brain development, plasticity and cognition. J Physiol 595: 1929–1245. https://doi.org/10.1113/jp272134
  12. Tremblay M, Lowery RL, Majewska AK (2010) Microglial interactions with synapses are modulated by visual experience. PLoS Biol 8: e1000527. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1000527
  13. Hüttenrauch M, Ogorek I, Klafki H, Otto M, Stadelmann C, Weggen S, Wiltfang J, Wirths O (2018) Glycoprotein NMB: A novel Alzheimer’s disease associated marker expressed in a subset of activated microglia. Acta Neuropathol Commun 6: 108. https://doi.org/10.1186/s40478-018-0612-3
  14. Masuda T, Sankowski R, Staszewski O, Böttcher C, Amann L, Sagar, Scheiwe C, Nessler S, Kunz P, van Loo G, Coenen VA, Reinacher PC, Michel A, Sure U, Gold R, Grün D, Priller J, Stadelmann C, Prinz M (2019) Spatial and temporal heterogeneity of mouse and human microglia at single-cell resolution. Nature 566: 388–392. https://doi.org/10.1038/s41586-019-0924-x
  15. Koyama R, Ikegaya Y (2015) Microglia in the pathogenesis of autism spectrum disorders. Neurosci Res 100: 1–5. https://doi.org/10.1016/j.neures.2015.06.005
  16. Joe EH, Choi DJ, An J, Eun JH, Jou I, Park S (2018) Astrocytes, Microglia, and Parkinson's Disease. Exp Neurobiol 27: 77–87. https://doi.org/10.5607/en.2018.27.2.77
  17. Corley E, Holleran L, Fahey L, Corvin A, Morris DW, Donohoe G (2021) Microglial- expressed genetic risk variants, cognitive function and brain volume in patients with schizophrenia and healthy controls. Transl Psychiatry 11: 490. https://doi.org/10.1038/s41398-021-01616-z
  18. Schafer DP, Heller CT, Gunner G, Heller M, Gordon C, Hammond T, Wolf Y, Jung S, Stevens B (2016) Microglia contribute to circuit defects in Mecp2 null mice independent of microglia-specific loss of Mecp2 expression. eLife 5: e15224. https://doi.org/10.7554/eLife.15224
  19. Davalos D, Grutzendler J, Yang G, Kim JV, Zuo Y, Jung S, Littman DR, Dustin ML, Gan W-B (2005) ATP mediates rapid microglial response to local brain injury in vivo. Nat Neurosci 8: 752–758. https://doi.org/10.1038/nn1472
  20. Nimmerjahn A, Kirchhoff F, Helmchen F (2005) Resting Microglial Cells Are Highly Dynamic Surveillants of Brain Parenchyma in Vivo. Science 308: 1314–1318. https://doi.org/10.1126/science.1110647
  21. Morsch M, Radford R, Lee A, Don EK, Badrock AP, Hall TE, Cole NJ, Chung R (2015) In vivo characterization of microglial engulfment of dying neurons in the zebrafish spinal cord. Front Cell Neurosci 9: 321. https://doi.org/10.3389/fncel.2015.00321
  22. Torres-Platas SG, Comeau S, Rachalski A, Bo GD, Cruceanu C, Turecki G, Giros B, Mechawar N (2014) Morphometric characterization of microglial phenotypes in human cerebral cortex. J Neuroinflammat 11: 12. https://doi.org/10.1186/1742-2094-11-12
  23. Jurga AM, Paleczna M, Kuter KZ (2020) Overview of General and Discriminating Markers of Differential Microglia Phenotypes. Front Cell Neurosci 14: 198. https://doi.org/10.3389/fncel.2020.00198
  24. Ransohoff RM (2016) A polarizing question: Do M1 and M2 microglia exist? Nat Neurosci 19: 987–991. https://doi.org/10.1038/nn.4338
  25. Liddelow SA, Guttenplan KA, Clarke LE, Bennett FC, Bohlen CJ, Schirmer L, Bennett ML, Münch AE, Chung WS, Peterson TC, Wilton DK, Frouin A, Napier BA, Panicker N, Kumar M, Buckwalter MS, Rowitch DH, Dawson VL, Dawson TM, Stevens B, Barres BA (2017) Neurotoxic reactive astrocytes are induced by activated microglia. Nature 541: 481–487. https://doi.org/10.1038/nature21029
  26. Escartin C, Galea E, Lakatos A, O'Callaghan JP, Petzold GC, Serrano-Pozo A, Steinhäuser C, Volterra A, Carmignoto G, Agarwal A, Allen NJ, Araque A, Barbeito L, Barzilai A, Bergles DE, Bonvento G, Butt AM, Chen WT, Cohen-Salmon M, Cunningham C, Deneen B, De Strooper B, Díaz-Castro B, Farina C, Freeman M, Gallo V, Goldman JE, Goldman SA, Götz M, Gutiérrez A, Haydon PG, Heiland DH, Hol EM, Holt MG, Iino M, Kastanenka KV, Kettenmann H, Khakh BS, Koizumi S, Lee CJ, Liddelow SA, MacVicar BA, Magistretti P, Messing A, Mishra A, Molofsky AV, Murai KK, Norris CM, Okada S, Oliet SHR, Oliveira JF, Panatier A, Parpura V, Pekna M, Pekny M, Pellerin L, Perea G, Pérez-Nievas BG, Pfrieger FW, Poskanzer KE, Quintana FJ, Ransohoff RM, Riquelme-Perez M, Robel S, Rose CR, Rothstein JD, Rouach N, Rowitch DH, Semyanov A, Sirko S, Sontheimer H, Swanson RA, Vitorica J, Wanner IB, Wood LB, Wu J, Zheng B, Zimmer ER, Zorec R, Sofroniew MV, Verkhratsky A (2021) Reactive astrocyte nomenclature, definitions, and future directions. Nat Neurosci 24: 312–325. https://doi.org/10.1038/s41593-020-00783-4
  27. Van Furth R, Cohn Z, Hirsch J, Humphrey J, Spector W, Langevoort H (1972) The mononuclear phagocyte system: a new classification of macrophages, monocytes, and their precursor cells. Bull World Health Organ 46: 845.
  28. Ginhoux F, Guilliams M (2016) Tissue-resident macrophage ontogeny and homeostasis. Immunity 44:439–449. https://doi.org/10.1016/j.immuni.2016.02.024
  29. Ginhoux F, Greter M, Leboeuf M, Nandi S, See P, Gokhan S, Mehler MF, Conway SJ, Ng LG, Stanley ER (2010) Fate mapping analysis reveals that adult microglia derive from primitive macrophages. Science 330: 841–845. https://doi.org/10.1126/science.1194637
  30. Schulz C, Perdiguero EG, Chorro L, Szabo-Rogers H, Cagnard N, Kierdorf K, Prinz M, Wu B, Jacobsen SEW, Pollard JW (2012) A lineage of myeloid cells independent of Myb and hematopoietic stem cells. Science 336: 86–90. https://doi.org/10.1126/science.1219179
  31. Hoeffel G, Chen J, Lavin Y, Low D, Almeida FF, See P, Beaudin AE, Lum J, Low I, Forsberg EC (2015) C-Myb+ erythro-myeloid progenitor-derived fetal monocytes give rise to adult tissue-resident macrophages. Immunity 42: 665–678. https://doi.org/10.1126/science.1219179
  32. Ajami B, Bennett JL, Krieger C, McNagny KM, Rossi FM (2011) Infiltrating monocytes trigger EAE progression, but do not contribute to the resident microglia pool. Nat Neurosci 14: 1142–1149. https://doi.org/10.1038/nn.2887
  33. De S, Van Deren D, Peden E, Hockin M, Boulet A, Titen S, Capecchi MR (2018) Two distinct ontogenies confer heterogeneity to mouse brain microglia. Development 145: dev152306. https://doi.org/10.1242/dev.152306
  34. T'Jonck W, Guilliams M, Bonnardel J (2018) Niche signals and transcription factors involved in tissue-resident macrophage development. Cell Immunol 330: 43–53. https://doi.org/10.1016/j.cellimm.2018.02.005
  35. Butovsky O, Jedrychowski MP, Moore CS, Cialic R, Lanser AJ, Gabriely G, Koeglsperger T, Dake B, Wu PM, Doykan CE (2014) Identification of a unique TGF-β-dependent molecular and functional signature in microglia. Nat Neurosci 17: 131–143. https://doi.org/10.1038/nn.3599
  36. Gosselin D, Link VM, Romanoski CE, Fonseca GJ, Eichenfield DZ, Spann NJ, Stender JD, Chun HB, Garner H, Geissmann F (2014) Environment drives selection and function of enhancers controlling tissue-specific macrophage identities. Cell 159: 1327–1340. https://doi.org/10.1016/j.cell.2014.11.023
  37. Bohlen CJ, Bennett FC, Tucker AF, Collins HY, Mulinyawe SB, Barres BA (2017) Diverse requirements for microglial survival, specification, and function revealed by defined-medium cultures. Neuron 94: 759–773. e8. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2017.04.043
  38. Ferrero G, Mahony CB, Dupuis E, Yvernogeau L, Di Ruggiero E, Miserocchi M, Caron M, Robin C, Traver D, Bertrand JY (2018) Embryonic microglia derive from primitive macrophages and are replaced by cmyb-dependent definitive microglia in zebrafish. Cell Rep 24: 130–141. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2018.05.066
  39. Kriegstein A, Alvarez-Buylla A (2009) The glial nature of embryonic and adult neural stem cells. Annu Rev Neurosci 32: 149–184. https://doi.org/10.1146/annurev.neuro.051508.135600
  40. Campbell K (2003) Dorsal-ventral patterning in the mammalian telencephalon. Curr Opin Neurobiol. 13: 50–56. https://doi.org/10.1016/s0959-4388(03)00009-6
  41. Sur M, Rubenstein JL (2005) Patterning and plasticity of the cerebral cortex. Science (New York) 310: 805–810. https://doi.org/10.1126/science.1112070
  42. Bayraktar OA, Fuentealba LC, Alvarez-Buylla A, Rowitch DH (2014) Astrocyte development and heterogeneity. Cold Spring Harb Perspect Biol. 7: a020362. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a020362
  43. Liu X, Jiang N, Zhou W (2023) Various Energetic Metabolism of Microglia in Response to Different Stimulations. Molecules (Basel, Switzerland) 28. https://doi.org/10.3390/molecules28114501
  44. Stence N, Waite M, Dailey ME (2001) Dynamics of microglial activation: A confocal time-lapse analysis in hippocampal slices. Glia 33(3): 256–266. https://doi.org/10.1002/1098-1136(200103)33:3<256::AID-GLIA1024>3.0.CO;2-J
  45. Kreutzberg GW (1996) Microglia: a sensor for pathological events in the CNS. Trends Neurosci 19: 312–318. https://doi.org/10.1016/0166-2236(96)10049-7
  46. Krausgruber T, Blazek K, Smallie T, Alzabin S, Lockstone H, Sahgal N, Hussell T, Feldmann M, Udalova IA (2011) IRF5 promotes inflammatory macrophage polarization and TH1-TH17 responses. Nat Immunol 12: 231–238. https://doi.org/10.1038/ni.1990
  47. Quirino IE, Cardoso VN, Santos R, Evangelista WP, Arantes RM, Fiúza JA, Glória MB, Alvarez-Leite JI, Batista MA, Correia MI (2013) The role of L-arginine and inducible nitric oxide synthase in intestinal permeability and bacterial translocation. J Parenter Enteral Nutr 37: 392–400. https://doi.org/10.1177/0148607112458325
  48. Könnecke H, Bechmann I (2013) The role of microglia and matrix metalloproteinases involvement in neuroinflammation and gliomas. Clin Dev Immunol 2013: 914104. https://doi.org/10.1155/2013/914104
  49. Kigerl KA, Gensel JC, Ankeny DP, Alexander JK, Donnelly DJ, Popovich PG (2009) Identification of two distinct macrophage subsets with divergent effects causing either neurotoxicity or regeneration in the injured mouse spinal cord. J Neurosci 29: 13435–13444. https://doi.org/10.1523/jneurosci.3257-09.2009
  50. Biswas SK, Mantovani A (2010) Macrophage plasticity and interaction with lymphocyte subsets: Cancer as a paradigm. Nat Immunol 11: 889–896. https://doi.org/10.1038/ni.1937
  51. Orihuela R, McPherson CA, Harry GJ (2016) Microglial M1/M2 polarization and metabolic states. Br J Pharmacol 173: 649–665. https://doi.org/ 10.1111/bph.13139
  52. Saijo K, Crotti A, Glass CK (2013) Regulation of microglia activation and deactivation by nuclear receptors. Glia 61: 104–111. https://doi.org/10.1002/glia.22423
  53. Ohgidani M, Kato TA, Haraguchi Y, Matsushima T, Mizoguchi Y, Murakawa-Hirachi T, Sagata N, Monji A, Kanba S (2016) Microglial CD206 Gene Has Potential as a State Marker of Bipolar Disorder. Front Immunol 7: 676. https://doi.org/10.3389/fimmu.2016.00676
  54. Etzerodt A, Moestrup SK (2013) CD163 and inflammation: biological, diagnostic, and therapeutic aspects. Antioxid Redox Signal 18: 2352–2363. https://doi.org/10.1089/ars.2012.4834
  55. Munder M (2009) Arginase: an emerging key player in the mammalian immune system. Br J Pharmacol 158: 638–651. https://doi.org/10.1111/j.1476-5381.2009.00291.x
  56. Corraliza IM, Soler G, Eichmann K, Modolell M (1995) Arginase induction by suppressors of nitric oxide synthesis (IL-4, IL-10 and PGE2) in murine bone-marrow-derived macrophages. Biochem Biophys Res Commun. 206: 667–673. https://doi.org/10.1006/bbrc.1995.1094
  57. Mantovani A, Sica A, Sozzani S, Allavena P, Vecchi A, Locati M (2004) The chemokine system in diverse forms of macrophage activation and polarization. Trends Immunol 25: 677–686. https://doi.org/10.1016/j.it.2004.09.015
  58. Fadini GP, Cappellari R, Mazzucato M, Agostini C, Vigili de Kreutzenberg S, Avogaro A (2013) Monocyte-macrophage polarization balance in pre-diabetic individuals. Acta Diabetol 50: 977–982. https://doi.org/10.1007/s00592-013-0517-3
  59. Ajami B, Bennett JL, Krieger C, Tetzlaff W, Rossi FM (2007) Local self-renewal can sustain CNS microglia maintenance and function throughout adult life. Nat Neurosci 10: 1538–1543. https://doi.org/10.1038/nn2014
  60. Tay TL, Mai D, Dautzenberg J, Fernández-Klett F, Lin G, Sagar, Datta M, Drougard A, Stempfl T, Ardura-Fabregat A, Staszewski O, Margineanu A, Sporbert A, Steinmetz LM, Pospisilik JA, Jung S, Priller J, Grün D, Ronneberger O, Prinz M. (2017) A new fate mapping system reveals context-dependent random or clonal expansion of microglia. Nat Neurosci 20: 793–803. https://doi.org/10.1038/nn.4547
  61. Doorn KJ, Brevé JJ, Drukarch B, Boddeke HW, Huitinga I, Lucassen PJ, van Dam AM (2015) Brain region-specific gene expression profiles in freshly isolated rat microglia. Front Cell Neurosci 9: 84. https://doi.org/10.3389/fncel.2015.00084
  62. Bertolotto A, Caterson B, Canavese G, Migheli A, Schiffer D (1993) Monoclonal antibodies to keratan sulfate immunolocalize ramified microglia in paraffin and cryostat sections of rat brain. J Histochem Cytochem 41: 481–487. https://doi.org/10.1177/41.4.8450191
  63. Bertolotto A, Agresti C, Castello A, Manzardo E, Riccio A (1998) 5D4 keratan sulfate epitope identifies a subset of ramified microglia in normal central nervous system parenchyma. J Neuroimmunol 85: 69–77. https://doi.org/10.1016/s0165-5728(97)00251-8
  64. Czirr E, Castello NA, Mosher KI, Castellano JM, Hinkson IV, Lucin KM, Baeza-Raja B, Ryu JK, Li L, Farina SN, Belichenko NP, Longo FM, Akassoglou K, Britschgi M, Cirrito JR, Wyss-Coray T (2017) Microglial complement receptor 3 regulates brain Aβ levels through secreted proteolytic activity. J Exp Med 214: 1081–1092. https://doi.org/10.1084/jem.20162011
  65. Stratoulias V, Venero JL, Tremblay M, Joseph B (2019) Microglial subtypes: diversity within the microglial community. EMBO J 38: e101997. https://doi.org/10.15252/embj.2019101997
  66. Jander S, Stoll G (1996) Strain-specific expression of microglial keratan sulfate proteoglycans in the normal rat central nervous system: Inverse correlation with constitutive expression of major histocompatibility complex class II antigens. Glia 18: 255–2560. https://doi.org/10.1002/(sici)1098-1136(199611)18:3<255::aid-glia9>3.0.co;2-y
  67. Chen SK, Tvrdik P, Peden E, Cho S, Wu S, Spangrude G, Capecchi MR (2010) Hematopoietic origin of pathological grooming in Hoxb8 mutant mice. Cell 141: 775–785. https://doi.org/10.1016/j.cell.2010.03.055
  68. Bennett FC, Bennett ML, Yaqoob F, Mulinyawe SB, Grant GA, Hayden Gephart M, Plowey ED, Barres BA (2018) A Combination of Ontogeny and CNS Environment Establishes Microglial Identity. Neuron 98: 1170-83.e8. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2018.05.014
  69. Nagarajan N, Jones BW, West PJ, Marc RE, Capecchi MR (2018) Corticostriatal circuit defects in Hoxb8 mutant mice. Mol Psychiatry 23: 1868–1877. https://doi.org/10.1038/mp.2017.180
  70. Jia J, Zheng L, Ye L, Chen J, Shu S, Xu S, Bao X, Xia S, Liu R, Xu Y, Zhang M (2023) CD11c(+) microglia promote white matter repair after ischemic stroke. Cell Death Dis 14: 156. https://doi.org/10.1038/s41419-023-05689-0
  71. Wlodarczyk A, Holtman IR, Krueger M, Yogev N, Bruttger J, Khorooshi R, Benmamar- Badel A, de Boer-Bergsma JJ, Martin NA, Karram K, Kramer I, Boddeke EW, Waisman A, Eggen BJ, Owens T (2017) A novel microglial subset plays a key role in myelinogenesis in developing brain. EMBO J 36: 3292–3308. https://doi.org/10.15252/embj.201696056
  72. Hou J, Chen Y, Grajales-Reyes G, Colonna M (2022) TREM2 dependent and independent functions of microglia in Alzheimer's disease. Mol Neurodegener 17: 84. https://doi.org/10.1186/s13024-022-00588-y
  73. Yeh FL, Hansen DV, Sheng M (2017) TREM2, Microglia, and Neurodegenerative Diseases. Trends Mol Med 23: 512–533. https://doi.org/10.1016/j.molmed.2017.03.008
  74. Schmid CD, Sautkulis LN, Danielson PE, Cooper J, Hasel KW, Hilbush BS, Sutcliffe JG, Carson MJ (2002) Heterogeneous expression of the triggering receptor expressed on myeloid cells-2 on adult murine microglia. J Neurochem 83: 1309–1320. https://doi.org/10.1046/j.1471-4159.2002.01243.x
  75. Shigemoto-Mogami Y, Hoshikawa K, Goldman JE, Sekino Y, Sato K (2014) Microglia enhance neurogenesis and oligodendrogenesis in the early postnatal subventricular zone. J Neurosci 34: 2231–2243. https://doi.org/10.1523/jneurosci.1619-13.2014
  76. Xavier AL, Lima FR, Nedergaard M, Menezes JR (2015) Ontogeny of CX3CR1-EGFP expressing cells unveil microglia as an integral component of the postnatal subventricular zone. Front Cell Neurosci 9: 37. https://doi.org/10.3389/fncel.2015.00037
  77. Ribeiro Xavier AL, Kress BT, Goldman SA, Lacerda de Menezes JR, Nedergaard M (2015) A Distinct Population of Microglia Supports Adult Neurogenesis in the Subventricular Zone. J Neurosci 35: 11848–11861. https://doi.org/10.1523/jneurosci.1217-15.2015
  78. Wogram E, Wendt S, Matyash M, Pivneva T, Draguhn A, Kettenmann H (2016) Satellite microglia show spontaneous electrical activity that is uncorrelated with activity of the attached neuron. Eur J Neurosci 43: 1523–1534. https://doi.org/10.1111/ejn.13256
  79. Baalman K, Marin MA, Ho TS, Godoy M, Cherian L, Robertson C, Rasband MN (2015) Axon initial segment-associated microglia. J Neurosci 35: 2283–2292. https://doi.org/10.1523/jneurosci.3751-14.2015
  80. Bisht K, Sharma KP, Lecours C, Sánchez MG, El Hajj H, Milior G, Olmos-Alonso A, Gómez-Nicola D, Luheshi G, Vallières L, Branchi I, Maggi L, Limatola C, Butovsky O, Tremblay M (2016) Dark microglia: A new phenotype predominantly associated with pathological states. Glia 64: 826–839. https://doi.org/10.1002/glia.22966
  81. St-Pierre MK, Carrier M, González Ibáñez F, Šimončičová E, Wallman MJ, Vallières L, Parent M, Tremblay M (2022) Ultrastructural characterization of dark microglia during aging in a mouse model of Alzheimer's disease pathology and in human post-mortem brain samples. J Neuroinflammation 19: 235. https://doi.org/10.1186/s12974-022-02595-8
  82. Stevens B, Allen NJ, Vazquez LE, Howell GR, Christopherson KS, Nouri N, Micheva KD, Mehalow AK, Huberman AD, Stafford B, Sher A, Litke AM, Lambris JD, Smith SJ, John SW, Barres BA (2007) The classical complement cascade mediates CNS synapse elimination. Cell 131: 1164–1178. https://doi.org/10.1016/j.cell.2007.10.036
  83. Schafer DP, Lehrman EK, Kautzman AG, Koyama R, Mardinly AR, Yamasaki R, Ransohoff RM, Greenberg ME, Barres BA, Stevens B (2012) Microglia sculpt postnatal neural circuits in an activity and complement-dependent manner. Neuron 74: 691–705. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2012.03.026
  84. Keren-Shaul H, Spinrad A, Weiner A, Matcovitch-Natan O, Dvir-Szternfeld R, Ulland TK, David E, Baruch K, Lara-Astaiso D, Toth B, Itzkovitz S, Colonna M, Schwartz M, Amit I (2017) A Unique Microglia Type Associated with Restricting Development of Alzheimer's Disease. Cell 169: 1276–90.e17. https://doi.org/10.1016/j.cell.2017.05.018
  85. Chen Y, Colonna M (2021) Microglia in Alzheimer's disease at single-cell level. Are there common patterns in humans and mice? J Exp Med 218. https://doi.org/10.1084/jem.20202717
  86. Krasemann S, Madore C, Cialic R, Baufeld C, Calcagno N, El Fatimy R, Beckers L, O'Loughlin E, Xu Y, Fanek Z, Greco DJ, Smith ST, Tweet G, Humulock Z, Zrzavy T, Conde- Sanroman P, Gacias M, Weng Z, Chen H, Tjon E, Mazaheri F, Hartmann K, Madi A, Ulrich JD, Glatzel M, Worthmann A, Heeren J, Budnik B, Lemere C, Ikezu T, Heppner FL, Litvak V, Holtzman DM, Lassmann H, Weiner HL, Ochando J, Haass C, Butovsky O (2017) The TREM2-APOE Pathway Drives the Transcriptional Phenotype of Dysfunctional Microglia in Neurodegenerative Diseases. Immunity 47: 566–581.e9. https://doi.org/10.1016/j.immuni.2017.08.008
  87. Gerrits E, Brouwer N, Kooistra SM, Woodbury ME, Vermeiren Y, Lambourne M, Mulder J, Kummer M, Möller T, Biber K, Dunnen W, De Deyn PP, Eggen BJL, Boddeke E (2021) Distinct amyloid-β and tau-associated microglia profiles in Alzheimer's disease. Acta Neuropathol 141: 681–696. https://doi.org/10.1007/s00401-021-02263-w
  88. McQuade A, Kang YJ, Hasselmann J, Jairaman A, Sotelo A, Coburn M, Shabestari SK, Chadarevian JP, Fote G, Tu CH, Danhash E, Silva J, Martinez E, Cotman C, Prieto GA, Thompson LM, Steffan JS, Smith I, Davtyan H, Cahalan M, Cho H, Blurton-Jones M (2020) Gene expression and functional deficits underlie TREM2-knockout microglia responses in human models of Alzheimer's disease. Nat Commun 11: 5370. https://doi.org/10.1038/s41467-020-19227-5
  89. Fang C, Zhong R, Lu S, Yu G, Liu Z, Yan C, Gao J, Tang Y, Wang Y, Zhao Q, Feng X (2024) TREM2 promotes macrophage polarization from M1 to M2 and suppresses osteoarthritis through the NF-κB/CXCL3 axis. Int J Biol Sci 20: 1992–2007. https://doi.org/10.7150/ijbs.91519
  90. Sala Frigerio C, Wolfs L, Fattorelli N, Thrupp N, Voytyuk I, Schmidt I, Mancuso R, Chen WT, Woodbury ME, Srivastava G, Möller T, Hudry E, Das S, Saido T, Karran E, Hyman B, Perry VH, Fiers M, De Strooper B (2019) The Major Risk Factors for Alzheimer's Disease: Age, Sex, and Genes Modulate the Microglia Response to Aβ Plaques. Cell Rep 27:1293–1306.e6. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.03.099
  91. Marschallinger J, Iram T, Zardeneta M, Lee SE, Lehallier B, Haney MS, Pluvinage JV, Mathur V, Hahn O, Morgens DW, Kim J, Tevini J, Felder TK, Wolinski H, Bertozzi CR, Bassik MC, Aigner L, Wyss-Coray T (2020) Lipid-droplet-accumulating microglia represent a dysfunctional and proinflammatory state in the aging brain. Nat Neurosci 23: 194–208. https://doi.org/10.1038/s41593-019-0566-1
  92. Limone F, Mordes DA, Couto A, Joseph BJ, Mitchell JM, Therrien M, Ghosh SD, Meyer D, Zhang Y, Goldman M, Bortolin L, Cobos I, Kadiu I, McCarroll SA, Stevens B, Pietiläinen O, Burberry A, Eggan K (2023) Single-nucleus sequencing reveals enriched expression of genetic risk factors in Extratelencephalic Neurons sensitive to degeneration in ALS. bioRxiv: 2021.07.12.452054. https://doi.org/10.1101/2021.07.12.452054
  93. De Andrade Costa A, Chatterjee J, Cobb O, Sanapala S, Scheaffer S, Guo X, Dahiya S, Gutmann DH (2022) RNA sequence analysis reveals ITGAL/CD11A as a stromal regulator of murine low-grade glioma growth. Neuro Oncol 24: 14–26. https://doi.org/10.1093/neuonc/noab130
  94. Smajić S, Prada-Medina CA, Landoulsi Z, Ghelfi J, Delcambre S, Dietrich C, Jarazo J, Henck J, Balachandran S, Pachchek S, Morris CM, Antony P, Timmermann B, Sauer S, Pereira SL, Schwamborn JC, May P, Grünewald A, Spielmann M (2022) Single-cell sequencing of human midbrain reveals glial activation and a Parkinson-specific neuronal state. Brain 145: 964–978. https://doi.org/10.1093/brain/awab446
  95. Kracht L, Borggrewe M, Eskandar S, Brouwer N, Chuva de Sousa Lopes SM, Laman JD, Scherjon SA, Prins JR, Kooistra SM, Eggen BJL (2020) Human fetal microglia acquire homeostatic immune-sensing properties early in development. Science 369: 530–537. https://doi.org/10.1126/science.aba5906
  96. Wohleb ES, Patterson JM, Sharma V, Quan N, Godbout JP, Sheridan JF (2014) Knockdown of interleukin-1 receptor type-1 on endothelial cells attenuated stress-induced neuroinflammation and prevented anxiety-like behavior. J Neurosci 34: 2583–2591. https://doi.org/10.1523/jneurosci.3723-13.2014
  97. Johnson JD, Campisi J, Sharkey CM, Kennedy SL, Nickerson M, Greenwood BN, Fleshner M (2005) Catecholamines mediate stress-induced increases in peripheral and central inflammatory cytokines. Neuroscience 135: 1295–1307. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2005.06.090
  98. Colton CA, Chernyshev ON (1996) Inhibition of microglial superoxide anion production by isoproterenol and dexamethasone. Neurochem Int 29: 43–53. https://doi.org/10.1016/0197-0186(95)00139-5
  99. Mori K, Ozaki E, Zhang B, Yang L, Yokoyama A, Takeda I, Maeda N, Sakanaka M, Tanaka J (2002) Effects of norepinephrine on rat cultured microglial cells that express alpha1, alpha2, beta1 and beta2 adrenergic receptors. Neuropharmacology 43(6): 1026–1034. https://doi.org/10.1016/s0028-3908(02)00211-3
  100. Schramm E, Waisman A (2022) Microglia as Central Protagonists in the Chronic Stress Response. Neurol Neuroimmunol Neuroinflamm 9. https://doi.org/10.1212/nxi.0000000000200023.
  101. Mazzolini J, Le Clerc S, Morisse G, Coulonges C, Kuil LE, van Ham TJ, Zagury JF, Sieger D (2020) Gene expression profiling reveals a conserved microglia signature in larval zebrafish. Glia 68: 298–315. https://doi.org/10.1002/glia.23717
  102. Zhang J, Zheng Y, Luo Y, Du Y, Zhang X, Fu J (2019) Curcumin inhibits LPS-induced neuroinflammation by promoting microglial M2 polarization via TREM2/ TLR4/ NF-κB pathways in BV2 cells. Mol Immunol 116: 29–37. https://doi.org/10.1016/j.molimm.2019.09.020
  103. Sanjay, Shin JH, Park M, Lee HJ (2022) Cyanidin-3-O-Glucoside Regulates the M1/M2 Polarization of Microglia via PPARγ and Aβ42 Phagocytosis Through TREM2 in an Alzheimer's Disease Model. Mol Neurobiol 59: 5135–5148. https://doi.org/10.1007/s12035-022-02873-9
  104. Li L, He YL, Xu N, Wang XF, Song B, Tang BQ, Lee SM (2024) A natural small molecule aspidosperma-type alkaloid, hecubine, as a new TREM2 activator for alleviating lipopolysaccharide-induced neuroinflammation in vitro and in vivo. Redox Biol 70: 103057. https://doi.org/10.1016/j.redox.2024.103057
  105. Cosacak MI, Bhattarai P, De Jager PL, Menon V, Tosto G, Kizil C (2022) Single Cell/Nucleus Transcriptomics Comparison in Zebrafish and Humans Reveals Common and Distinct Molecular Responses to Alzheimer's Disease. Cells 11. https://doi.org/10.3390/cells11111807
  106. Liddelow SA, Guttenplan KA, Clarke LE, Bennett FC, Bohlen CJ, Schirmer L, Bennett ML, Münch AE, Chung W-S, Peterson TC, Wilton DK, Frouin A, Napier BA, Panicker N, Kumar M, Buckwalter MS, Rowitch DH, Dawson VL, Dawson TM, Stevens B, Barres BA. (2017) Neurotoxic reactive astrocytes are induced by activated microglia. Nature 541: 481–487. https://doi.org/10.1038/nature21029
  107. Guttenplan KA, Weigel MK, Prakash P, Wijewardhane PR, Hasel P, Rufen-Blanchette U, Münch AE, Blum JA, Fine J, Neal MC, Bruce KD, Gitler AD, Chopra G, Liddelow SA, Barres BA (2021) Neurotoxic reactive astrocytes induce cell death via saturated lipids. Nature 599: 102–107.https://doi.org/10.1038/s41586-021-03960-y
  108. Li D, Chen M, Meng T, Fei J (2020) Hippocampal microglial activation triggers a neurotoxic-specific astrocyte response and mediates etomidate-induced long-term synaptic inhibition. J Neuroinflammat 17: 109. https://doi.org/10.1186/s12974-020-01799-0
  109. Lian H, Yang L, Cole A, Sun L, Chiang Angie CA, Fowler Stephanie W, Shim David J, Rodriguez-Rivera J, Taglialatela G, Jankowsky Joanna L, Lu H-C, Zheng H (2015) NFκB- Activated Astroglial Release of Complement C3 Compromises Neuronal Morphology and Function Associated with Alzheimer’s Disease. Neuron 85: 101–115. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2014.11.018
  110. Kwon HS, Koh SH (2020) Neuroinflammation in neurodegenerative disorders: The roles of microglia and astrocytes. Transl Neurodegener 9: 42. https://doi.org/10.1186/s40035-020-00221-2
  111. Shi Q, Chowdhury S, Ma R, Le KX, Hong S, Caldarone BJ, Stevens B, Lemere CA (2017) Complement C3 deficiency protects against neurodegeneration in aged plaque-rich APP/PS1 mice. Sci Transl Med 9: eaaf6295. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.aaf6295
  112. Hong S, Beja-Glasser VF, Nfonoyim BM, Frouin A, Li S, Ramakrishnan S, Merry KM, Shi Q, Rosenthal A, Barres BA, Lemere CA, Selkoe DJ, Stevens B (2016) Complement and microglia mediate early synapse loss in Alzheimer mouse models. Science 352: 712–716. https://doi.org/10.1126/science.aad8373
  113. Zamanian JL, Xu L, Foo LC, Nouri N, Zhou L, Giffard RG, Barres BA (2012) Genomic analysis of reactive astrogliosis. J Neurosci 32: 6391–6410. https://doi.org/10.1523/jneurosci.6221-11.2012
  114. Fan YY, Huo J (2021) A1/A2 astrocytes in central nervous system injuries and diseases: Angels or devils? Neurochem Int 148: 105080. https://doi.org/10.1016/j.neuint.2021.105080
  115. Chang J, Qian Z, Wang B, Cao J, Zhang S, Jiang F, Kong R, Yu X, Cao X, Yang L, Chen H (2023) Transplantation of A2 type astrocytes promotes neural repair and remyelination after spinal cord injury. Clin Transl Med CCS 21: 37. https://doi.org/10.1186/s12964-022-01036-6
  116. Norden DM, Fenn AM, Dugan A, Godbout JP (2014) TGFβ produced by IL-10 redirected astrocytes attenuates microglial activation. Glia 62: 881–895. https://doi.org/10.1002/glia.22647
  117. Miyamoto N, Magami S, Inaba T, Ueno Y, Hira K, Kijima C, Nakajima S, Yamashiro K, Urabe T, Hattori N. (2020) The effects of A1/A2 astrocytes on oligodendrocyte linage cells against white matter injury under prolonged cerebral hypoperfusion. Glia 68: 1910–1924. https://doi.org/10.1002/glia.23814
  118. Shiow LR, Favrais G, Schirmer L, Schang AL, Cipriani S, Andres C, Wright JN, Nobuta H, Fleiss B, Gressens P, Rowitch DH (2017) Reactive astrocyte COX2-PGE2 production inhibits oligodendrocyte maturation in neonatal white matter injury. Glia 65: 2024–2037. https://doi.org/10.1002/glia.23212
  119. Spurgat MS, Tang SJ (2022) Single-Cell RNA-Sequencing: Astrocyte and Microglial Heterogeneity in Health and Disease. Cells 11. https://doi.org/10.3390/cells11132021
  120. Hasel P, Rose IVL, Sadick JS, Kim RD, Liddelow SA (2021) Neuroinflammatory astrocyte subtypes in the mouse brain. Nat Neurosci 24: 1475–1487. https://doi.org/10.1038/s41593-021-00905-6
  121. Demin KA, Krotova NA, Ilyin NP, Galstyan DS, Kolesnikova TO, Strekalova T, de Abreu MS, Petersen EV, Zabegalov KN, Kalueff AV (2022) Evolutionarily conserved gene expression patterns for affective disorders revealed using cross-species brain transcriptomic analyses in humans, rats and zebrafish. Sci Rep 12: 20836. https://doi.org/10.1038/s41598-022-22688-x
  122. Clarke LE, Liddelow SA, Chakraborty C, Münch AE, Heiman M, Barres BA (2018) Normal aging induces A1-like astrocyte reactivity. Proc Natl Acad Sci U S A 115(8): E1896–E1905. https://doi.org/10.1073/pnas.1800165115
  123. Clark DPQ, Perreau VM, Shultz SR, Brady RD, Lei E, Dixit S, Taylor JM, Beart PM, Boon WC (2019) Inflammation in Traumatic Brain Injury: Roles for Toxic A1 Astrocytes and Microglial-Astrocytic Crosstalk. Neurochem Res 44: 1410–1424. https://doi.org/10.1007/s11064-019-02721-8
  124. Jin Y, Yao Y, El-Ashram S, Tian J, Shen J, Ji Y (2019) The Neurotropic Parasite Toxoplasma gondii Induces Astrocyte Polarization Through NFκB Pathway. Front Med 6: 267. https://doi.org/10.3389/fmed.2019.00267
  125. Fujita A, Yamaguchi H, Yamasaki R, Cui Y, Matsuoka Y, Yamada KI, Kira JI (2018) Connexin 30 deficiency attenuates A2 astrocyte responses and induces severe neurodegeneration in a 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine hydrochloride Parkinson's disease animal model. J Neuroinflammat 15: 227. https://doi.org/10.1186/s12974-018-1251-0
  126. King A, Szekely B, Calapkulu E, Ali H, Rios F, Jones S, Troakes C (2020) The increased densities, but different distributions, of both C3 and S100A10 immunopositive astrocyte-like cells in Alzheimer’s disease brains suggest possible roles for both A1 and A2 astrocytes in the disease pathogenesis. Brain Sci 10: 503. https://doi.org/10.3390/brainsci10080503
  127. Scheib J, Byrd-Jacobs C (2020) Zebrafish Astroglial Morphology in the Olfactory Bulb Is Altered With Repetitive Peripheral Damage. Front Neuroanat 14: 4. https://doi.org/10.3389/fnana.2020.00004
  128. Lyons DA, Talbot WS (2014) Glial cell development and function in zebrafish. Cold Spring Harb Perspect Biol 7: a020586. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a020586
  129. Chen J, Poskanzer KE, Freeman MR, Monk KR (2020) Live-imaging of astrocyte morphogenesis and function in zebrafish neural circuits. Nat Neurosci 23: 1297–1306. https://doi.org/10.1038/s41593-020-0703-x
  130. Geirsdottir L, David E, Keren-Shaul H, Weiner A, Bohlen SC, Neuber J, Balic A, Giladi A, Sheban F, Dutertre C-A, Pfeifle C, Peri F, Raffo-Romero A, Vizioli J, Matiasek K, Scheiwe C, Meckel S, Mätz-Rensing K, van der Meer F, Thormodsson FR, Stadelmann C, Zilkha N, Kimchi T, Ginhoux F, Ulitsky I, Erny D, Amit I, Prinz M (2019) Cross-Species Single-Cell Analysis Reveals Divergence of the Primate Microglia Program. Cell 179: 1609-22.e16. https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.11.010
  131. Bernardos RL, Raymond PA (2006) GFAP transgenic zebrafish. Gene Expr Patterns 6: 1007–1013.https://doi.org/10.1016/j.modgep.2006.04.006
  132. Pu YZ, Liang L, Fu AL, Liu Y, Sun L, Li Q, Wu D, Sun MJ, Zhang YG, Zhao BQ (2017) Generation of Alzheimer's Disease Transgenic Zebrafish Expressing Human APP Mutation Under Control of Zebrafish appb Promotor. Curr Alzheimer Res 14: 668–679. https://doi.org/10.2174/1567205013666161201202000
  133. Doyle JM, Croll RP (2022) A Critical Review of Zebrafish Models of Parkinson's Disease. Front Pharmacol 13: 835827. https://doi.org/10.3389/fphar.2022.835827
  134. Bai Q, Burton EA (2011) Zebrafish models of Tauopathy. Biochim Biophys Acta 1812: 353–363. https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2010.09.004
  135. Zeng CW (2023) Macrophage-Neuroglia Interactions in Promoting Neuronal Regeneration in Zebrafish. International Int J Mol Sci 24. https://doi.org/10.3390/ijms24076483
  136. Vistain LF, Tay S (2021) Single-Cell Proteomics. Trends Biochem Sci 46: 661–672. https://doi.org/10.1016/j.tibs.2021.01.013
  137. He J, Mo D, Chen J, Luo L (2020) Combined whole-mount fluorescence in situ hybridization and antibody staining in zebrafish embryos and larvae. Nat Protoc 15: 3361–1379. https://doi.org/10.1038/s41596-020-0376-7

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Proposed ontogenesis of microglial cells in rodents (a) and in vitro models (b). The precursors of microglia are myeloid progenitors (eEMPs) that arise on the 8th embryonic day in the yolk sac, from which premacrophages (pMFs) are generated, penetrating the brain anlage through the vasculature and subsequently differentiating into different subtypes of microglial cells. Microglia subtypes are shown, distinguished on the basis of differential marker expression (see Table 1): Iba1 – ionized calcium-binding adaptor molecule 1, CR3 – phagocytic receptor of the complement system, CD11b – integrin alpha-M, Hox8b-homeobox protein, CD45 – receptor-type tyrosine protein phosphatase C, CX3CR1 – chemokine receptor 1 with CX3C motif (fractalkine receptor), TREM2 – triggering receptor expressed on myeloid cells 2. In vitro microglia differentiation (b) uses protocols starting with pluripotent stem cells (iPSCs), by reprogramming them using overexpression of a number of transcription factors, followed by differentiation into hemangioblasts, primitive erythroblasts, and primitive macrophages. Modern iPSC differentiation protocols allow them to be converted into neurons, astrocytes and oligodendrocytes.

Download (301KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Putative ontogenesis of mammalian astrocytes. Astrocyte precursors in the mammalian nervous system are radial glia cells (RGCs) developing from neuroepithelial cells (NECs). Populations according to the binary A1/A2 classification of astrocytes with markers unique to subtypes are indicated: C3 – complement system protein, BP2 – insulin-like growth factor 2 binding protein, Serping1 – serpin G family protein, Vim – structural protein vimentin, S100β – calcium-binding protein B of the S100 family, PTX3 – pentraxin family protein, S1Pr3 – sphingosine-1-phosphate receptor 3, Tweak – cell surface-associated transmembrane protein type II, TGF-β – transforming growth factor-β, ALDHIL1 – 10-formyltetrahydrofolate dehydrogenase.

Download (245KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».