Science | 星形胶质细胞与嗅觉感知：Slc22a3介导组蛋白血清素修饰

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星形胶质细胞与神经元紧密联系，在突触递送、神经环路功能维持等方面发挥重要作用。神经元活动增强往往会诱导自身即刻早期基因（immediate early genes）表达¹。然而，神经元活动是否会在星形胶质细胞诱导类似应答，并如何进一步改变其转录组与表观遗传状态仍未可知。此外，近年的研究表明神经递质血清素、多巴胺也可以参与组蛋白修饰^2,3，但其分布范围与重要性还有待研究，星形胶质细胞是否并如何利用这些表观遗传修饰也不明了。

SLC22家族属于主要协同转运蛋白超家族（Major facilitator superfamily，MFS），包含18个成员。1998年，SLC22A3（即有机阳离子转运体3，OCT3）被首次从大鼠中克隆⁴。OCT3在人体多种组织，包括骨骼肌、肝脏、胎盘、心脏以及大脑中广泛表达。在中枢神经系统，OCT3主要参与儿茶酚胺类神经递质，包括血清素、多巴胺、去甲肾上腺素的转运⁵。2022年，人OCT3冷冻电镜结构首次得到解析⁶。

2023年6月16日，美国贝勒医学院Benjamin Deneen作为通讯作者，在Science上发表文章Induction of astrocytic Slc22a3 regulates sensory processing through histone serotonylation，该研究揭示了嗅球星形胶质细胞中Slc22a3可对气味刺激作出应答，并通过血清素转运与组蛋白血清素修饰影响星形胶质细胞与神经元相互作用，进而调节嗅觉处理。

研究人员首先对Gq-DREADD小鼠模型注射氯氮平N-氧化物（clozapine-N-oxide, CNO）以模拟神经元激活，RNA-seq与TF motif analysis表明Sox9是嗅球（olfactory bulb, OB）星形胶质细胞中显著神经元活动依赖的转录因子。为了进一步寻找Sox9下游靶基因，对OB星形胶质细胞中神经元活动依赖相关基因以及Sox9敲除小鼠RNA-seq的差异基因的重合部分进行ChIP-seq验证，Slc22a3表现出神经元激活后特异性的启动子Sox9结合。嗅觉刺激实验证实了神经元活动会促进OB星形胶质细胞Slc22a3表达（图1）。

图1. 嗅觉刺激引起的神经元激活诱导OB星形胶质细胞Slc22a3表达

对OB星形胶质细胞Slc22a3特异性敲除小鼠进行三箱偏好实验以评估嗅觉行为，结果显示敲除小鼠相比于对照组气味检测、气味分辨能力都有所下降（图2）。进一步探究Slc22a3敲除如何影响OB星形胶质细胞功能。对OB星形胶质细胞的共聚焦成像、三维重构以及sholl analysis显示Slc22a3敲除小鼠OB星形胶质细胞形态复杂性有所下降（图2）。而钙活动是星形胶质细胞生理活动的重要参数，使用双光子成像捕捉OB切片星形胶质细胞的钙信号，Slc22a3敲除小鼠与对照组自发钙信号并无显著差异，而血清素诱导的钙信号在Slc22a3敲除小鼠中幅度与频率都有所下降（图2）。

图2. 星形胶质细胞Slc22a3调节嗅觉环路功能、星形胶质细胞形态与钙活动

研究人员进一步发现Slc22a3敲除小鼠OB星形胶质细胞内血清素水平有所下降，同时胞内组蛋白血清素修饰H3K4me3Q5ser (H3-5HT)水平也有下降。对H3-5HT ChIP-seq得到的基因进行GO分析，结果显示Slc22a3敲除的OB星形胶质细胞相比于对照主要丢失了H3-5HT调控的GABA相关通路。除了GABA水平与参与GABA合成的单胺氧化酶B水平的下降，Slc22a3敲除小鼠OB星形胶质细胞中紧张性GABA电流相比于对照也有75.24%的降低（+TTX），而在加入5μM GABA情况下敲除组与对照组电流则并无差异（图3），进一步证明了GABA电流的损失是由于星形胶质细胞GABA释放的减少，而非GABA受体功能或表达量的降低导致。

图3. Slc22a3调节星形胶质细胞紧张性GABA电流

为了确定H3-5HT修饰是否直接影响嗅觉处理，进一步构建H3.3Q5A突变的组蛋白血清素修饰缺陷型小鼠。H3.3Q5A表达的星形胶质细胞细胞复杂性有所降低，GABA水平以及单胺氧化酶B表达水平相比于对照有显著下降，紧张性GABA电流也表现出与图3类似的变化。此外，行为实验也证明H3.3Q5A突变小鼠气味检测与分辨能力均有下降。

综上所述，本研究揭示了神经元活动如何造成嗅球星状胶质细胞的转录组应答，鉴定了重要的转录因子Sox9及其靶基因Slc22a3。Slc22a3参与血清素转运，调节星形胶质细胞血清素水平，随后通过组蛋白血清素修饰H3-5HT调节基因表达，进一步影响GABA的合成、释放和嗅觉处理（图4）。

图4. 神经元活动依赖的星形胶质细胞转录与表观遗传学改变控制嗅觉处理

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/

science.ade0027

参考文献

参考文献

1.E.-L. Yap, M. E. Greenberg, Activity-Regulated Transcription: Bridging the Gap between Neural Activity and Behavior. Neuron 100, 330-348 (2018).

2. L. A. Farrelly et al., Histone serotonylation is a permissive modification that enhances TFIID binding to H3K4me3. Nature 567, 535-539 (2019).

3.A. E. Lepack et al., Dopaminylation of histone H3 in ventral tegmental area regulates cocaine seeking. Science 368, 197-201 (2020).

4. R. Kekuda et al., Cloning and Functional Characterization of a Potential-sensitive, Polyspecific Organic Cation Transporter (OCT3) Most Abundantly Expressed in Placenta. Journal of Biological Chemistry 273, 15971-15979 (1998).

5.H. Koepsell, K. Lips, C. Volk, Polyspecific Organic Cation Transporters: Structure, Function, Physiological Roles, and Biopharmaceutical Implications. Pharmaceutical Research 24, 1227-1251 (2007).

6.B. Khanppnavar et al., Structural basis of organic cation transporter-3 inhibition. Nature Communications 13, 6714 (2022).

供稿 | 许雨茜

审稿 | 朱盎岐

责编 | 囡囡

排版 | 可洲

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