多模式星形膠質細胞-神經(jīng)元通信控制大腦環(huán)路組裝和功能。例如，通過快速釋放谷氨酸，星形膠質細胞可以控制突觸網(wǎng)絡的興奮性、可塑性和同步活性。對于星形膠質細胞來說，通過快速局灶性谷氨酸釋放進行交流，它們應該擁有一個類似于神經(jīng)元的Ca2+依賴性胞吐的裝置。然而，由于缺乏直接支持證據(jù)，這種機制的存在一直受到質疑。

近日，瑞士洛桑大學基礎神經(jīng)科學系Ludovic Telley和Andrea Volterra研究團隊在Nature發(fā)表研究。在這里，研究人員通過認識到星形膠質細胞新出現(xiàn)的分子異質性，重新審視了星形膠質細胞-谷氨酸胞吐假說。

1. 星形膠質細胞帶有谷氨酸能特征

為了重新驗證星形膠質細胞谷氨酸胞吐假說，作者整合了來自小鼠大腦的八個不同的單細胞RNA測序（scRNA-seq）和單核RNA-seq數(shù)據(jù)庫（每個數(shù)據(jù)庫都包含海馬細胞，包括高質量的單個星形膠質細胞）。確定了9個星形膠質細胞簇[Fig.1a,b]。值得注意的是，鑒定到具有與突觸相關的GO富集項的簇（簇0、1、3和7），簇7表現(xiàn)出與胞吐、鈣離子調節(jié)的胞吐、神經(jīng)遞質分泌的調節(jié)和谷氨酸分泌的調節(jié)特異性相關的top基因[Fig.1c]?？偟膩碚f，作者在所有小鼠海馬數(shù)據(jù)庫中都發(fā)現(xiàn)了這種突觸谷氨酸胞吐簇。值得注意的是，該簇在人類中也存在[Fig.1f]。在海馬體不同區(qū)域的幾個分離的星形膠質細胞中也觀察到突觸谷氨酸能標記物的表達[Fig.1g]。因此，研究人員將這些細胞稱為谷氨酸能星形膠質細胞。

Figure 1 小鼠和人海馬中谷氨酸能星形膠質細胞亞群的鑒定

2. 分泌谷氨酸的星形膠質細胞成像

接下來，作者在背側DGML中進行了雙光子成像研究，該區(qū)域預計含有相當大比例的分泌谷氨酸的星形膠質細胞。通過谷氨酸傳感器（SF-iGluSnFR）成像，來觀察單個DGML星形膠質細胞的釋放事件。發(fā)現(xiàn)在24個檢測的星形膠質細胞中，所有都對L-Glut有反應，但只有9個在CNO激活下表現(xiàn)出可靠的亞秒SF-iGluSnFR熒光反應[Fig.2a-d]。說明，只有部分具有分泌谷氨酸的能力。

此外，作者還通過VGLUT1GFAP-KO基因鼠發(fā)現(xiàn)VGLUT1依賴性胞吐是谷氨酸能星形膠質細胞主要釋放機制[Fig.2p,k]。星形膠質細胞的反應被選擇性敲除P2y1r（2MeSADP誘發(fā)反應）或Slc17a7（CNO誘發(fā)反應）所抑制，表明谷氨酸釋放來自星形膠質細胞。谷氨酸釋放反應總是發(fā)生在星形膠質細胞的特定位點，只有部分星形膠質細胞亞群是響應者。總的來說，化學遺傳學和內源性Gq-GPCR原位刺激都引起DGML星形膠質細胞亞群中谷氨酸的快速釋放。

Figure 2 選擇性化學遺傳學或內源性受體刺激后星形膠質細胞亞群的快速谷氨酸分泌

3.在海馬功能中的作用

接下來，作者利用在星形膠質細胞中選擇性敲除Slc17a7的基因鼠，來研究谷氨酸能星形膠質細胞在突觸功能和行為中的潛在作用。首先，θ burst誘發(fā)的長時程增強的降低似乎特別依賴于星形膠質細胞VGLUT1的缺失，這意味著谷氨酸能星形膠質細胞對位于其區(qū)域內的PP–GC突觸LTP產(chǎn)生影響。其次，星形膠質細胞VGLUT1敲除后觀察到的情境記憶缺陷，表明谷氨酸能星形膠質細胞在生理記憶處理中具有功能。第三，在病理過程中，星形膠質細胞VGLUT1依賴性信號傳導對紅藻氨酸誘導的急性癲癇發(fā)作具有保護作用[Fig.3]。

Figure 3 星形膠質細胞中VGLUT1的缺失導致皮質-海馬回路中LTP、記憶和癲癇急性發(fā)作模式的變化

4. 黑質紋狀體回路中的作用

接下來，研究了谷氨酸能星形膠質細胞是否調節(jié)額外的腦回路。重點研究了連接黑質致密部（SNpc）和背側紋狀體（dST）的中腦多巴胺能（DA）回路。對整個黑質數(shù)據(jù)庫的分析發(fā)現(xiàn)在黑質中VGLUT2高于VGLUT1。因此，為了研究SNpc中的谷氨酸能星形膠質細胞，作者構建了星形膠質細胞靶向的VGLUT2相關系基因鼠。電生理發(fā)現(xiàn)，VGLUT2GFAP-KO（而非VGLUT1GFAP-KO）小鼠的自發(fā)興奮性突觸電流（sEPCs）發(fā)生頻率明顯更高。此外，VGLUT2GFAP-KO小鼠的基礎DA水平顯著高于對照小鼠[Fig.4]?？偟膩碚f，這些發(fā)現(xiàn)支持了星形膠質細胞VGLUT2依賴性信號傳導的內源性調節(jié)功能，通過激活突觸前III型mGluRs調節(jié)黑質DA神經(jīng)元上的谷氨酸能突觸傳遞。

Figure 4 星形膠質細胞中VGLUT2的敲除改變了黑質紋狀體回路功能和體內DA水平

總結

長期以來，星形膠質細胞的Ca2+依賴性谷氨酸胞吐和谷氨酸能膠質傳遞一直存在爭議。本文中發(fā)現(xiàn)了一個具有類似谷氨酸能突觸的離散分子特征的特殊星形膠質細胞亞群，確定了VGLUT依賴性谷氨酸釋放的解剖分布和功能能力。為解決這些爭論提供了關鍵信息。

這些數(shù)據(jù)不僅證明星形膠質細胞谷氨酸胞吐作用存在于成年大腦中，而且可以解釋為什么以前的報告無法在星形膠質細胞中發(fā)現(xiàn)VGLUT和調節(jié)胞吐蛋白的表達。因為對整個大腦區(qū)域的大量RNA-seq研究稀釋了少數(shù)、分布不均的亞群（如谷氨酸能星形膠質細胞）的作用。

未來的研究預計將產(chǎn)生中樞神經(jīng)系統(tǒng)范圍的圖譜，這將有助于定義谷氨酸能星形膠質細胞的總體分布及其全部作用。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06502-w

參考文獻

de Ceglia, Roberta et al. “Specialized astrocytes mediate glutamatergic gliotransmission in the CNS.” Nature, 10.1038/s41586-023-06502-w. 6 Sep. 2023, doi:10.1038/s41586-023-06502-w

編譯作者：Young（brainnews創(chuàng)作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）






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