星形胶质细胞分泌蛋白调控发育皮层抑制性突触的形成和功能
星形胶质细胞分泌蛋白调控发育皮层抑制性突触的形成和功能
星形胶质细胞分泌的神经蛋白聚糖（NCAN）在调控发育皮层抑制性突触形成和功能中发挥着重要作用。杜克大学医学中心Cagla Eroglu研究团队在《Neuron》杂志上发表的最新研究揭示了NCAN的C端区域特异性地促进抑制性突触的形成，并且与神经肽生长抑素（SST）阳性突触存在共定位。这一发现为理解大脑发育和相关疾病（如精神分裂症、双相障碍）的病理机制提供了新的视角。
哺乳动物皮层约80%为兴奋性神经元，20%左右为抑制性神经元。星形胶质细胞分泌的突触蛋白凝血栓蛋白, SPARC样蛋白1和 磷脂酰肌醇蛋白聚糖促进兴奋性突触发育过程，也分泌蛋白促进抑制性突触形成，但机制不同。神经蛋白聚糖(NCAN)属于凝集蛋白家族，在出生后发育过程中分裂为两个片段:NCAN-N端和C端,其中N端维持神经元周围基质网络的形成和功能，抑制Semaphorin 3F诱导的树突棘重塑。NCAN-C端广泛存在于细胞外基质(ECM), 含有多个与细胞粘附相关的蛋白结构域。
2024年4月5日杜克大学医学中心Cagla Eroglu研究团队在Neuron杂志上发表文章揭示了星形胶质细胞分泌的NCAN调控发育皮层抑制性突触的形成和功能。
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NCAN促进抑制性突触的形成
研究人员利用大鼠皮层原代细胞构建无胶质细胞的培养体系（80%为兴奋性神经元，20%左右为抑制性神经元），加入星形胶质细胞条件培养基（ACM）并不影响抑制性突触的形成。然而ACM中加入NCAN可显著促进抑制性突触的形成，加入其他星形胶质细胞富集分泌的clusterin(Clu), 肌营养不良蛋白关联糖蛋白1 (DAG),和羧肽酶E(CpE)并不影响抑制性突触的形成。
NCAN基因突变是精神分裂症、双相障碍等疾病的风险因素，这两种疾病均存在前扣带皮层（ACC）功能连接障碍。原位杂交实验发现NCAN主要表达在发育期大脑皮层中，出生后第7天在星形胶质细胞表达最高，随后逐渐降低。分子实验表明全长的NCAN近表达在发育期皮层，NCAN-N端和C端在成年皮层仍有表达。免疫荧光实验发现1月龄小鼠ACC脑区NCAN-N端主要表达皮层实质中，而C端主要表达在神经元周围基质网络中。
图1：离体实验发现NCAN促进抑制性突触的形成
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NCAN C端区域，而不是N端，
促进抑制性突触的形成
进一步通过CRISPR-Cas9 系统构建NCAN敲除小鼠，发现出生后第10天的NCAN敲除小鼠ACC脑区兴奋性突触数量未发生变化，抑制性突触数量显著减少，这一结果在电子显微镜中得到进一步证实。电生理实验证实NCAN敲除小鼠ACC脑区抑制性突触后电流降低。
研究人员构建NCAN C和 N端区域的重组蛋白NCAN-Cter-ELS和Nter-IL,在离体细胞培养过程中分别加入上述重组蛋白，其中Nter-IL并不影响抑制性突触的形成，但是NCAN-Cter-ELS能够诱导抑制性突触的形成。进一步通过构建NCAN-Cter-ELS突变模型小鼠（NCAN C端区域缺失，N端区域正常），免疫荧光实验发现这类敲除小鼠ACC区域兴奋性突触数量没有变化，抑制性突触数量下降约30%。
图2、NCAN C端区域，而不是N端，促进抑制性突触的形成
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NCAN C端区域调控SST阳性抑制性突触
超高分辨率共聚焦显微镜发现NCAN C端与75%的抑制性突触存在共定位，与40%的兴奋性突触存在共定位，而N端与抑制性突触共定位的比例较低。利用邻近标记技术分别标记星形胶质细胞分泌的NCAN C和N端与突触发生相互作用的蛋白，随后进行蛋白组学测序发现在NCAN C和N端结合区域分别富集存在166种、27种特异性膜和分泌蛋白。其中NCAN C端区域结合的蛋白中富集表达神经肽生长抑素(SST)。
离体细胞实验发现NCAN-Cter-ELS不影响小清蛋白阳性和SST阳性突触前结构的数量，但可诱导SST阳性突触的形成。免疫荧光实验发现1月龄ACC脑区NCAN C与一半的SST阳性突触存在共定位。NCAN-Cter-ELS突变模型小鼠SST阳性突触数量降低，兴奋性突触后电流未发生变化，但抑制性突触后电流减弱。给予NCAN-Cter-ELS重组蛋白可逆转上述NCAN敲除小鼠的抑制性突触的丢失。
图3：邻近标记技术分别标记NCAN C和N端与突触发生相互作用的蛋白
总结
本文揭示了星形胶质细胞分泌的NCAN C端片段可特异性调控发育期皮层抑制性突触的形成和功能。
【参考文献】
Irala et al., Astrocyte-secreted neurocan controls inhibitory synapse formation and function, Neuron (2024),
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2024.03.007
文章中图片均来自于原文