【原】Nature：一種新型細胞——谷氨酸能星形膠質(zhì)細胞在生理和病理過程中扮演的角色

腦聲常談 2023-09-15 發(fā)布于上海

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多模式星形膠質(zhì)細胞——神經(jīng)元通訊控制著大腦回路的組裝和功能。例如，通過快速釋放谷氨酸，星形膠質(zhì)細胞可以控制突觸網(wǎng)絡(luò)的興奮性、可塑性和同步活動，同時也導(dǎo)致其在神經(jīng)精神疾病中的失調(diào)。星形膠質(zhì)細胞通過快速局灶性谷氨酸釋放進行交流，它們應(yīng)該擁有類似于神經(jīng)元的Ca²⁺依賴性胞吐作用的裝置。然而，由于不一致的數(shù)據(jù)和缺乏直接的支持證據(jù)，這種機制的存在受到質(zhì)疑。

2023年9月6日，洛桑大學(xué) (UNIL) 和日內(nèi)瓦Wyss生物與神經(jīng)工程中心的神經(jīng)科學(xué)家Ludovic Telley和Andrea Volterra團隊在Nature雜志上發(fā)表名為“Specialized astrocytes mediate glutamatergic gliotransmission in the CNS”的文章，發(fā)現(xiàn)并證明了谷氨酸能星形膠質(zhì)細胞的存在以及潛在功能。

為了尋找釋放谷氨酸的星形膠質(zhì)細胞，作者首先分析了現(xiàn)有的單細胞RNA測序數(shù)據(jù)庫和patch-seq數(shù)據(jù)，鑒定出了9個分子上不同的海馬星形膠質(zhì)細胞簇。接著對每個聚類的基因本體(GO)富集進行了分析，發(fā)現(xiàn)簇7包括與鈣離子調(diào)節(jié)的胞吐作用、神經(jīng)遞質(zhì)分泌的調(diào)節(jié)和谷氨酸鹽分泌的調(diào)節(jié)特異性相關(guān)的頂端差異基因，同時還表現(xiàn)出Ca²⁺調(diào)節(jié)的突觸谷氨酸鹽胞吐作用的必需轉(zhuǎn)錄物，如Slc17a7(編碼囊泡谷氨酸轉(zhuǎn)運體VGLUT1)、Snap25和Syt1的強烈富集。此外，多重?zé)晒庠浑s交(RNAscope HiPlex測定)分析結(jié)果顯示星形膠質(zhì)細胞中突觸谷氨酸能標記物表達在海馬幾個分離的不同區(qū)域，包括CA1、CA2、CA3和DG，且與腹側(cè)區(qū)域相比，DG (DGML)的背側(cè)分子層顯示出顯著更高的比例。作者將這些具有星形膠質(zhì)細胞典型的形態(tài)學(xué)細胞但包含谷氨酸調(diào)節(jié)分泌所需的轉(zhuǎn)錄物稱為谷氨酸能星形膠質(zhì)細胞。

圖1 小鼠和人類海馬中谷氨酸能星形膠質(zhì)細胞亞群的鑒定

接下來，作者使用了先進的GluSnFR谷氨酸成像技術(shù)，通過谷氨酸熒光探針和化學(xué)遺傳的方法發(fā)現(xiàn)激活一類星形膠質(zhì)細胞后能夠誘發(fā)谷氨酸的釋放。特異性敲除星形膠質(zhì)細胞囊泡谷氨酸轉(zhuǎn)運體vGLUT1（Slc17a7^fl/fl）后化學(xué)遺傳激活星形膠質(zhì)細胞后并不能誘導(dǎo)谷氨酸釋放增加。這部分結(jié)果表明激活谷氨酸能星形膠質(zhì)細胞的會誘發(fā)谷氨酸的胞吐作用。

圖2 星形膠質(zhì)細胞的激活誘導(dǎo)谷氨酸的釋放

證明了谷氨酸能星形膠質(zhì)細胞的存在，作者進而研究其在突觸功能和行為中的潛在作用。使用(GFAP^creERT2Slc17a7^fl/fltdTomato^lsl/lsl)小鼠，誘導(dǎo)性敲除星形膠質(zhì)細胞中的vGLUT1。首先作者探究的是谷氨酸能星形膠質(zhì)細胞在突觸可塑性中的作用，在成對突觸場中比較由內(nèi)側(cè)PP纖維刺激誘導(dǎo)的θ波誘發(fā)的長時程增強(θ-LTP)，結(jié)果顯示在vGLUT1敲除的星形膠質(zhì)細胞中，θ-LTP的大小顯著低于對照組。

接下來評估星形膠質(zhì)細胞vGLUT1缺失是否會影響海馬記憶處理，對此進行了情境恐懼調(diào)節(jié)(CFC)記憶測試，評估了vGLUT1^GFAP-KO小鼠與兩個對照組vGLUT1^GFAP-WT和vGLUT1^WT-TAM小鼠相比的表現(xiàn)。結(jié)果顯示在24小時后測試情境記憶表達而非恐懼條件反射學(xué)習(xí)期間時，vGLUT1^GFAP-KO小鼠表現(xiàn)出比對照小鼠明顯更少的恐懼。星形膠質(zhì)細胞vGLUT1缺失后觀察到的情境記憶缺陷表明谷氨酸能星形膠質(zhì)細胞在記憶處理中具有功能。

最后谷氨酸能星形膠質(zhì)細胞是否有助于改變皮質(zhì)-海馬回路功能。鑒于星形膠質(zhì)細胞谷氨酸釋放在癲癇發(fā)作引發(fā)或擴大中的作用，這里重點研究了癲癇發(fā)作。通過皮下注射單劑量紅藻氨酸在體內(nèi)引發(fā)急性癲癇發(fā)作，并將vGLUT1^GFAP-KO小鼠的反應(yīng)與vGLUT1^GFAP-WT和vGLUT1^WT-TAM對照組的反應(yīng)進行比較。與對照組相比，vGLUT1^GFAP-KO小鼠的癲癇發(fā)作增多。這表明了星形膠質(zhì)細胞vGLUT1依賴性信號傳導(dǎo)對紅藻氨酸誘導(dǎo)的體內(nèi)急性癲癇發(fā)作的保護功能。

以上所有結(jié)果表明谷氨酸能星形膠質(zhì)細胞不僅在生理過程中，而且在病理過程中也具有積極的作用。

圖3 星形膠質(zhì)細胞中的vGLUT1缺失誘導(dǎo)的生理和病理變化

文章最后一部分，作者研究了谷氨酸能星形膠質(zhì)細胞是否調(diào)節(jié)大腦回路，這里作者聚焦于連接黑質(zhì)致密部(SNpc)和背側(cè)紋狀體(dST)的中腦多巴胺能(DA)回路，一條與帕金森病密切相關(guān)的回路。證明了谷氨酸能星形膠質(zhì)細胞vGLUT2通過激活3型mGluRs抑制性調(diào)節(jié)SNpc腦區(qū)多巴胺能神經(jīng)元的興奮性輸入，這可能為帕金森病提供治療的新靶點。