Monocytes/macrophages have begun to emerge as key cellular modulators of brain homeostasis and central nervous system (CNS) disease. In the healthy brain, resident microglia are the predominant macrophage cell population; however, under conditions of blood-brain barrier leakage, peripheral monocytes/macrophages can infiltrate the brain and participate in CNS disease pathogenesis. Distinguishing these two populations is often challenging, owing to a paucity of universally accepted and reliable markers. To identify discriminatory marker sets for microglia and peripheral monocytes/macrophages, we employed a large meta-analytic approach using five published murine transcriptional datasets. Following hierarchical clustering, we filtered the top differentially expressed genes (DEGs) through a brain cell type-specific sequencing database, which led to the identification of eight microglia and eight peripheral monocyte/macrophage markers. We then validated their differential expression, leveraging a published single cell RNA sequencing dataset and quantitative RT-PCR using freshly isolated microglia and peripheral monocytes/macrophages from two different mouse strains. We further verified the translation of these DEGs at the protein level. As top microglia DEGs, we identified P2ry12, Tmem119, Slc2a5 and Fcrls, whereas Emilin2, Gda, Hp and Sell emerged as the best DEGs for identifying peripheral monocytes/macrophages. Lastly, we evaluated their utility in discriminating monocyte/mac¬ro-phage populations in the setting of brain pathology (glioma) and found that these DEG sets distinguished glioma-associated microglia from macrophages in both RCAS and GL261 mouse models of glioblastoma. Taken together, this unbiased bioinformatic approach facilitated the discovery of a robust set of microglia and peripheral monocyte/macrophage expression markers to discriminate these monocyte populations in both health and disease.
Monozyten/Makrophagen spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation der Homöostase im Gehirn als auch bei Erkrankungen des Zentralnervensystems. Unter gesunden Bedingungen stellen die hirnansässigen Mikroglia die vorherrschende Monozyten-/Makrophagenpopulation im zentralen Nervensystem dar. Kommt es unter pathologischen Bedingungen jedoch zu einer Beeinträchtigung der Blut-Hirn-Schranke, so können periphere Monozyten/Makrophagen ebenfalls in das zentrale Nervensystem einwandern und somit an der Entstehung neurologischer Erkrankungen mitwirken. Aufgrund des Mangels akzeptierter und verlässlicher Marker stellt die Unterscheidung der beiden Populationen im Forschungsfeld der Neuroimmunologie eine stetige Herausforderung dar. Zur Identifizierung diskriminatorischer Markergene für Mikroglia und periphere Monozyten/Makrophagen haben wir im Rahmen dieser Studie eine Meta-Analyse durchgeführt, basierend auf fünf publizierten murinen Sequenzierungsdatensätzen. Nach der Anwendung einer hierarchischen Clusteranalyse, wurden die Top-Kandidaten der in beiden Zelltypen unterschiedlich exprimierten Gene durch eine Datenbank gefiltert, die Sequenzierungsdaten aller Hirnzell-typen enthält. Nach Ausschluss einiger Kandidatengene aufgrund deren Expression in anderen Hirnzelltypen, konnten wir acht Mikroglia-spezifische Gene identifizieren, sowie acht Gene, die spezifisch in peripheren Monozyten/Makrophagen exprimiert sind. Im Folgenden validierten wir die identifizierten Mikroglia- bzw. Monozyten/Makrophagen Markergene in einem publizierten Einzelzell-RNA-Sequenzierungsdatensatz sowie mittels quantitativer RT-PCR in frisch isolierten Mikroglia bzw. peripheren Monozyten/Makrophagen anhand zweier Mausmodelle. Zusätzlich verifizierten wir die Mikroglia bzw. Monozyten/Makrophagen Markergene auf Proteinebene mittels einer proteomischen Analyse. Als Top-Mikroglia Marker identifizierten wir P2ry12, Tmem119, Slc2a5 und Fcrls und als Top-Markergene für periphere Monozyten/Makrophagen identifizierten wir Emilin2, Gda, Hp und Sell. Wir untersuchten ebenfalls, ob unsere identifizierten Markergene Mikroglia von peripheren Makro¬phagen im pathologischen Kontext unterscheiden können. In der Tat konnten wir anhand der Markersets gliom-infiltrierte Mikroglia von gliom-infiltrierten Makrophagen in den Gliom-Mausmodellen RCAS und GL261 verlässlich unterscheiden. Durch den hier angewandten bioinformatischen Ansatz konnten wir ein stabiles Markerset für Mikroglia sowie periphere Monozyten/Makrophagen identifizieren, anhand dessen sich beide Populationen unter physiologischen sowie pathologischen Bedingungen unterscheiden lassen.
