Nat Neurosci：星形胶质细胞如何影响大脑发育？最新研究，一起来了解一下！
星形胶质细胞对许多神经发育障碍(ND)模型中的神经元发育产生负面影响，然而，它们是如何做到这一点的，以及机制是否在疾病之间共享尚不清楚。
近日，Nicola J. Allen团队在Nature Neuroscience杂志上发表了他们最新的研究成果“Aberrant astrocyte protein secretion contributes to altered neuronal development in multiple models of neurodevelopmental disorders” 。在这项研究中，他们开发了一个细胞培养系统，以了解星形胶质细胞蛋白分泌和基因表达在三种遗传性ND小鼠模型（Rett、Fragiler X和唐氏综合征）中的变化。
ND中的表型重叠表明可能存在共同的分子机制。许多ND研究都集中在神经元的内在变化上。然而，研究表明，神经胶质细胞的改变也起作用。
星形胶质细胞是一类丰富的神经胶质细胞，在没有星形胶质细胞的情况下培养的野生型（WT）神经元显示出存活率降低，神经突触发育迟缓和突触形成缺陷，而加入WT星形胶质细胞或星形胶质细胞分泌因子（星形胶质细胞条件培养基（ACM））足以克服这些缺陷并促进神经元发育。
这项研究作者研究了ND星形胶质细胞蛋白分泌如何在多个ND模型（FXS，RTT和DS）之间改变，以确定是否存在影响神经元发育的收敛机制（convergent mechanisms）。
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星形胶质细胞和神经元
培养用于研究NDs
为了研究NDs小鼠模型中的星形胶质细胞，作者开发了一种免疫规划(IP)程序，从皮质中分离星形胶质细胞，修改了大鼠星形胶质细胞（图1）。IP星形胶质细胞培养物对星形胶质细胞高度富集（图1b，c）。
作者计算了IP A和每组之间的差异表达基因（DEGs），发现MD星形胶质细胞比IP C具有更多的DEG（图1d）。与反应性星形胶质细胞相关的基因在MD星形胶质细胞中显著上调，在IP C星形胶质细胞中未改变（图1e）。这些发现证明了使用IP分离和无血清培养方法研究星形胶质细胞离体特性的有效性。
图1. IP星形胶质细胞和神经元培养物用于研究ND
IP星形胶质细胞在体内
复制ND星形胶质细胞的改变
为了确定这些蛋白质是什么以及它们是否在ND星形胶质细胞中改变，作者比较了来自三种ND小鼠模型的星形胶质细胞的蛋白质分泌和基因表达与菌株匹配的WT对照（图2a）。分析与星形胶质细胞功能相关的基因，发现大多数基因在高水平上表达（图2b，c），且标记基因表达（例如Aldh1l1和Gfap）没有显着差异。
作者分析已知的星形胶质细胞分泌的突触调节蛋白是否存在于WT ACM中（图2f-j），发现它们以不同的丰度存在。对于与发育突触消除有关的蛋白质，在蛋白质水平上检测到的差异比基因表达更多（图2i，j）。
图2. IP星形胶质细胞在体内复制ND星形胶质细胞的改变
改变ND星形胶质细胞的
蛋白质分泌和基因水平
在FXS中，与WT相比，有131种蛋白质和547个基因增加，只有四个因子（3.1%）在蛋白质和mRNA水平上上调，包括Bmp6（调节星形胶质细胞成熟）和Sema3e（抑制神经突起生长的分泌信号素）（图3a，b）。通路分析FXS ACM中增加的蛋白质确定了阿尔茨海默症 - 淀粉样蛋白分泌酶途径，血液凝固途径和Igfbp调节IGF转运/摄取（图3k）。
在DS中，与WT相比，增加了272个蛋白质和408个基因，重叠了34个靶标（12.5%）（图3e，f）。DS ACM中增加的蛋白质的通路分析确定了阿尔茨海默症中的淀粉样蛋白分泌酶通路，整合素信号通路和Igfbp调节IGF转运/摄取（图3k）。发现与WT相比，所有三个ND中都有88种蛋白质和11个基因增加，蛋白质和mRNA变化没有重叠（图3g-j）。
图3. 改变ND星形胶质细胞的蛋白质分泌和基因水平
阻断ND星形胶质细胞BMP信号传导
可减少神经功能障碍
在ND ACM中增加的88种蛋白质中有38种在BMP6-ACM中也增加（43.2%）了，而32种下调蛋白质中的14种也被BMP6下调（43.8%）（图4a）。与WT相比，在所有ND中表达增加的11个基因中，其中4个在BMP6处理的星形胶质细胞中也增加了，并且在BMP6治疗后显示所有ND表达降低的一个基因减少（图4b）。
这表明ND星形胶质细胞和用BMP6处理的WT星形胶质细胞的蛋白质分泌和基因表达谱有很强的重叠，表明BMP信号传导可能是ND中某些蛋白质改变的上游。有趣的是，Igfbp2和Igfbp5都显示出BMP6处理的WT星形胶质细胞的分泌增加，与ND中观察到的变化相匹配（图4c）。
图4. 阻断ND星形胶质细胞BMP信号传导可减少神经功能障碍
总 结
生理相关的细胞培养系统与分泌蛋白的定量蛋白质组学相结合，使得能够鉴定星形胶质细胞如何在多个遗传ND模型中改变其与神经元的相互作用。这可以确定候选的非神经元蛋白质和通路，这些蛋白质和通路可以靶向这些疾病，以及具有共同表型的未知原因的疾病，以纠正异常的神经元发育和功能。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41593-022-01150-1
参考文献
Caldwell, A.L.M., Sancho, L., Deng, J. et al. Aberrant astrocyte protein secretion contributes to altered neuronal development in multiple models of neurodevelopmental disorders. Nat Neurosci 25, 1163–1178 (2022). https://doi.org/10.1038/s41593-022-01150-1
编译作者：Young（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
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