Biol Psychiatry︱高天明团队揭示星形胶质细胞通过乙酰胆碱受体M1对成年海马神经发生及记忆的调控作用
撰文︱李伟鹏
责编︱王思珍
制版︱查佳雪
海马齿状回是成年神经发生的重要脑区之一，其神经发生受其局部微环境（niche）中星形胶质细胞的调节[1, 2]。星形胶质细胞参与调控成年海马神经干细胞的增殖、分化，新生神经元的成熟及局部微环路的整合[1-5]，而该过程是星形胶质细胞通过分泌多种活性因子，如细胞因子等实现的[1, 6, 7]。研究表明星形胶质细胞上表达多种神经递质的功能性受体，如谷氨酸、γ-氨基丁酸、三磷酸腺苷和乙酰胆碱等受体[8-12]。但是，我们目前仍不清楚星形胶质细胞是如何接收外部信号并作出反应，进而调控成年神经发生。
乙酰胆碱是参与调控成年海马神经发生的重要神经递质之一。其中，毒蕈碱型乙酰胆碱受体M1（cholinergic receptor muscarinic 1，Chrm1）更是在中枢神经系统中表达最丰富的乙酰胆碱受体亚型之一。那么，星形胶质细胞上的Chrm1是否在成年海马神经发生和学习记忆中发挥作用，以及是如何发挥作用的呢？针对这些问题，研究人员开展进行了一系列研究。
2022年5月13日，南方医科大学的高天明团队在《生物精神病学》（Biological Psychiatry）杂志上发表了题为“Astrocytes Mediate Cholinergic Regulation of Adult Hippocampal Neurogenesis and Memory through M1 Muscarinic Receptor”的研究论文。李伟鹏博士和苏晓红博士为论文共同第一作者，高天明院士和杨建明副教授为论文通讯作者。该论文首次揭示了星形胶质细胞作为局部微环境的一种支持细胞（niche cells）是如何通过接收胆碱能系统的信号，进而调控成年海马神经发生和学习记忆。（拓展阅读：高天明课题组研究进展，详见“逻辑神经科学”报道：Biol Psychiatry︱高天明院士团队揭示ATP调节抑郁样行为的神经环路机制；Mol Psychiatry | 高天明课题组揭示恐惧记忆消退的局部神经网络机制；Mol Psychiatry︱高天明课题组揭示星形胶质细胞和神经元在突触可塑性和记忆中的不同作用；JCI︱高天明课题组揭示前额叶皮层在调控焦虑和恐惧中具有相反作用的神经回路）
首先，研究人员通过免疫荧光及双光子钙成像技术验证了星形胶质细胞上表达Chrm1（图1A-D）。接下来，为了进一步在星形胶质细胞上特异性敲除Chrm1，该团队筛选了目前常用于星形胶质细胞研究的小鼠品系，发现ALDH1l1-CreERT2是研究海马齿状回成年神经发生最可靠的小鼠品系[13]。利用Cre-loxp重组系统，研究人员将ALDH1l1-creERT2和Chrm1 fl/fl小鼠进行杂交，获得在星形胶质细胞上特异敲除Chrm1的转基因小鼠（以下称为ALDH1l1-Chrm1fl/fl），同时还对ALDH1l1-Chrm1fl/fl小鼠进行了mRNA、蛋白及功能水平上的验证（图1E-J）。
图1 星形胶质细胞上特异性敲除Chrm1转基因小鼠的构建
（图源：Li, WP et al., Biol Psychiatry, 2022）
紧接着，研究人员使用5-溴-2'-脱氧核苷尿嘧啶（5-Bromo-2'-deoxyuridine，BrdU）标记新生神经细胞，观察海马齿状回BrdU标记新生神经细胞增殖和存活/分化的情况（注：BrdU是胸腺嘧啶类似物，因其分子结构与胸腺嘧啶T相似，在细胞增殖周期的S期合成DNA时提供原料，故此时BrdU可以渗入新生细胞的DNA中同时不影响细胞正常功能[14]）。结果发现，ALDH1l1-Chrm1fl/fl 小鼠的Nestin+ GFAP+ BrdU+或Nestin+ GFAP+ Mcm2+神经干细胞与对照组相比并无显著差异（图2A-E）。但是，ALDH1l1-Chrm1fl/fl小鼠新生神经细胞4周后的存活（BrdU+），及分化为成熟神经元（BrdU+ NeuN+）的数量和比例均显著降低（图2G-J）。为了进一步研究ALDH1l1-Chrm1fl/fl小鼠新生神经细胞在发育成神经元中间阶段的改变，研究人员还对其进行DCX（Doublecortion，一种未成熟神经元的标记物）的免疫荧光染色。结果显示，ALDH1l1-Chrm1fl/fl小鼠DCX阳性细胞数量较对照组显著降低；且从免疫荧光染色图像可以看出，ALDH1l1-Chrm1fl/fl小鼠的分支突起较对照组稀疏（图2K-M）。
（图源：Li, WP et al., Biol Psychiatry, 2022）
为了准确地观察新生神经元的发育情况，研究人员利用了逆转录病毒标记新生神经元（注：逆转录病毒retrovirus只能在分裂中的细胞内复制，因此可以用来标记新生细胞[15]）。通过形态学分析和膜片钳电生理记录发现，ALDH1l1-Chrm1fl/fl小鼠中逆转录病毒标记的新生神经元树突分支总长度减少，其分支密度降低，树突棘密度降低；电生理上表现出未成熟神经元的膜属性和兴奋性突触传递频率的降低，但未见其抑制性突触传递发生改变（图3）。以上结果表明，ALDH1l1-Chrm1fl/fl小鼠新生神经神经元成熟受损，并且新生神经元整合到齿状回原有的神经网络异常。
（图源：Li, WP et al., Biol Psychiatry, 2022）
在海马齿状回神经发生的微环境中，星形胶质细胞扮演着重要的角色，其所分泌的物质能影响神经干细胞的增殖与分化，如FGF2、IL1β、WNT3和BDNF等[6, 7]。那么ALDH1l1-Chrm1fl/fl小鼠中海马齿状回新生细胞存活及成熟受损是否与之有关呢？研究人员通过检测多种星形胶质细胞分泌的物质mRNA表达水平发现，ALDH1l1-Chrm1fl/fl小鼠海马中BDNF显著降低（图4A-H）。药理学实验发现，Chrm1激动剂能显著增加培养海马星形胶质细胞BDNF的分泌（图4I-L）。因此，上述结果表明星形胶质细胞上的Chrm1能调控BDNF的分泌。
（图源：Li, WP et al., Biol Psychiatry, 2022）
接下来，研究人员利用AAV病毒载体在海马齿状回敲除Chrm1的星形胶质细胞上重新过表达Chrm1（图5A-C）。同样地，通过BrdU和逆转录病毒标记新生神经细胞的方法发现，星形胶质细胞上Chrm1过表达能增加ALDH1l1-Chrm1fl/fl小鼠新生神经细胞的存活及分化为成熟神经元的数量（图5D-H）；同时能逆转ALDH1l1-Chrm1fl/fl小鼠新生神经神经元的成熟和局部微环路整合异常（图5I-O）。
图5 在ALDH1l1-Chrm1fl/fl小鼠海马齿状回星形胶质细胞过表达Chrm1能逆转其成年海马神经发生受损
（图源：Li, WP et al., Biol Psychiatry, 2022）
研究人员进一步发现，在ALDH1l1-Chrm1fl/fl小鼠星形胶质细胞上过表达Chrm1能够增加BDNF的表达水平（图6A-C）。接下来，利用药理学方法阻断BDNF受体TrkB，发现该操作能逆转其星形胶质细胞上过表达Chrm1引起的挽救效果（图6D-J）。因此，上述结果表明星形胶质细胞上的Chrm1能调控其分泌的BDNF，进而影响成年海马神经发生。
（图源：Li, WP et al., Biol Psychiatry, 2022）
在动物行为上，ALDH1l1-Chrm1fl/fl小鼠表现出条件性场景恐惧记忆受损；而星形胶质细胞上过表达Chrm1则能逆转其表现出来的行为异常（图7）。结果表明，海马齿状回星形胶质细胞上的Chrm1对条件性场景恐惧记忆十分重要。
（图源：Li, WP et al., Biol Psychiatry, 2022）
（图源：Li, WP et al., Biol Psychiatry, 2022）
总之，该研究首次发现星形胶质细胞通过感受胆碱能信号对成年海马神经发生及学习记忆的调控功能，这为胆碱能系统疾病如阿尔茨海默病等的治疗提供了新的视角。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biopsych.2022.04.019
李伟鹏（左），博士，第一作者；高天明（右），教授，通讯作者。
（照片提供自：南方医科大学高天明实验室）
【3】Mol Psychiatry︱高天明课题组揭示星形胶质细胞和神经元在突触可塑性和记忆中的不同作用
【4】JCI︱高天明课题组揭示前额叶皮层在调控焦虑和恐惧中具有相反作用的神经回路
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参考文献（上下滑动阅读）
[1].Vicidomini, C., N. Guo and A. Sahay, Communication, Cross Talk, and Signal Integration in the Adult Hippocampal Neurogenic Niche. Neuron, 2020. 105(2): p. 220-235.
[2].Cope, E.C. and E. Gould, Adult Neurogenesis, Glia, and the Extracellular Matrix. CELL STEM CELL, 2019. 24(5): p. 690-705.
[3].Denoth-Lippuner, A. and S. Jessberger, Formation and integration of new neurons in the adult hippocampus. Nature Reviews Neuroscience, 2021. 22(4): p. 223-236.
[4].Song, H., C.F. Stevens and F.H. Gage, Astroglia induce neurogenesis from adult neural stem cells. Nature, 2002. 417(6884): p. 39-44.
[5].Sultan, S., et al., Synaptic Integration of Adult-Born Hippocampal Neurons Is Locally Controlled by Astrocytes. Neuron, 2015. 88(5): p. 957-972.
[6].Cassé, F., K. Richetin and N. Toni, Astrocytes’ Contribution to Adult Neurogenesis in Physiology and Alzheimer’s Disease. Frontiers in Cellular Neuroscience, 2018. 12.
[7].Baldwin, K.T. and C. Eroglu, Molecular mechanisms of astrocyte-induced synaptogenesis. Current Opinion in Neurobiology, 2017. 45: p. 113-120.
[8].De Pittà, M., N. Brunel and A. Volterra, Astrocytes: Orchestrating synaptic plasticity? Neuroscience, 2016. 323: p. 43-61.
[9].Navarrete, M., et al., Astrocytes Mediate In Vivo Cholinergic-Induced Synaptic Plasticity. PLoS Biology, 2012. 10(2): p. e1001259.
[10].Shen, J. and J.L. Yakel, Functional α7 Nicotinic ACh Receptors on Astrocytes in Rat Hippocampal CA1 Slices. Journal of Molecular Neuroscience, 2012. 48(1): p. 14-21.
[11].Takata, N., et al., Astrocyte calcium signaling transforms cholinergic modulation to cortical plasticity in vivo. J Neurosci, 2011. 31(49): p. 18155-65.
[12].Porter, J.T. and K.D. McCarthy, Astrocytic neurotransmitter receptors in situ and in vivo. Prog Neurobiol, 1997. 51(4): p. 439-55.
[13].Hu, N., et al., Expression Patterns of Inducible Cre Recombinase Driven by Differential Astrocyte-Specific Promoters in Transgenic Mouse Lines. Neuroscience Bulletin, 2020. 36(5): p. 530-544.
[14].Wojtowicz, J.M. and N. Kee, BrdU assay for neurogenesis in rodents. Nature Protocols, 2006. 1(3): p. 1399-1405.
[15].Zhao, C., Distinct Morphological Stages of Dentate Granule Neuron Maturation in the Adult Mouse Hippocampus. Journal of Neuroscience, 2006. 26(1): p. 3-11.
本文完