*僅供醫(yī)學(xué)專業(yè)人士閱讀參考
神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元細(xì)胞是大腦的主要構(gòu)成細(xì)胞，其中神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞占據(jù)大腦細(xì)胞總數(shù)的一半以上[1]。
膠質(zhì)細(xì)胞中數(shù)量最多，分布最廣泛的是星形膠質(zhì)細(xì)胞。盡管科學(xué)家對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞的報(bào)道最早可以追溯到100多年前，但在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，星形膠質(zhì)細(xì)胞的功能都沒有被明確描述。而且神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞曾被認(rèn)為具有很強(qiáng)的同質(zhì)性，僅僅被認(rèn)為是填充神經(jīng)元細(xì)胞間隙的間質(zhì)，是連接神經(jīng)元的“膠水”[2,3]。
隨著多組學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大量的研究發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞也有一定的異質(zhì)性：不同時(shí)期、不同部位的星形膠質(zhì)細(xì)胞有著不同的細(xì)胞形態(tài)與功能。近年來(lái)，也有研究表明星形膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)環(huán)路調(diào)控、神經(jīng)遞質(zhì)循環(huán)和神經(jīng)系統(tǒng)離子穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中扮演了重要角色，在多種神經(jīng)、精神疾病中，星形膠質(zhì)細(xì)胞也發(fā)生了相應(yīng)的改變[2,4]。
以上這些研究刷新了我們既往對(duì)于星形膠質(zhì)細(xì)胞的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于不同部位星形膠質(zhì)細(xì)胞的異質(zhì)性目前還還缺乏一個(gè)更為系統(tǒng)、全面的研究。
近日，由加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的Baljit S. Khakh領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，在《科學(xué)》期刊發(fā)表重要研究成果[5]。Khakh教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，不同腦區(qū)的星形膠質(zhì)細(xì)胞因其所處部位的不同，有著特異性的分子特征和功能，而且這些差異基因與星形膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)有一定關(guān)聯(lián)。
值得一提的是，他們還發(fā)現(xiàn)，這些差異表達(dá)的基因中有些竟然與阿爾茨海默病（AD）相關(guān)。他們認(rèn)為，恢復(fù)星形膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)，從而改善它們對(duì)神經(jīng)元和組織支持功能，對(duì)疾病的治療或許是有益的。
論文首頁(yè)截圖
Khakh團(tuán)隊(duì)首先利用FAST技術(shù)和免疫組化技術(shù)，對(duì)小鼠腦內(nèi)星形膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行染色標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)不同腦區(qū)的星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量有很大差異。
隨后，他們檢測(cè)了中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)13個(gè)部位的星形膠質(zhì)細(xì)胞基因表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)不同部位的星形膠質(zhì)細(xì)胞有4000余個(gè)共同表達(dá)的基因，這些基因主要與離子穩(wěn)態(tài)、神經(jīng)遞質(zhì)穩(wěn)態(tài)和膽固醇代謝等功能相關(guān)，反映了星形膠質(zhì)細(xì)胞的共同作用。
不同部位星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量差異
而對(duì)不同部位星形膠質(zhì)細(xì)胞的差異基因分析及區(qū)域富集則發(fā)現(xiàn)，位于大腦、小腦、腦干和脊髓的星形膠質(zhì)細(xì)胞有顯著的區(qū)域性特征。
為了進(jìn)一步探究不同部位星形膠質(zhì)細(xì)胞的差異，Khakh團(tuán)隊(duì)對(duì)大腦皮質(zhì)、海馬及紋狀體的組織取材后進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞可被分為7個(gè)亞群（AST1-7），而且在大腦不同部位，各亞群細(xì)胞的比例也有所不同。這些結(jié)果表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞的區(qū)域差異性可能與細(xì)胞所處的微環(huán)境相關(guān)。
單細(xì)胞測(cè)序后對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞分群及不同部位的分群差異
我們都知道，星形膠質(zhì)細(xì)胞的另一大特征是其形態(tài)的復(fù)雜性，因此Khakh團(tuán)隊(duì)利用共聚焦顯微鏡和免疫組化標(biāo)記，對(duì)13個(gè)不同部位的星形膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行了形態(tài)觀察。
通過(guò)對(duì)比星形膠質(zhì)細(xì)胞胞體大小、分支數(shù)量、胞體外基質(zhì)范圍等形態(tài)指標(biāo)，他們發(fā)現(xiàn)不同部位的星形膠質(zhì)細(xì)胞的胞體和分支沒有很大差異，不過(guò)胞體外基質(zhì)范圍則有一定的區(qū)域特異性。例如：來(lái)自運(yùn)動(dòng)皮層（MCX）的細(xì)胞更圓，占據(jù)的范圍也更大，而來(lái)自小腦（CB）的細(xì)胞則呈現(xiàn)為長(zhǎng)條狀，占據(jù)的范圍較小。
不同部位的星形膠質(zhì)細(xì)胞
為了進(jìn)一步探究是什么影響了星形膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)，Khakh團(tuán)隊(duì)將這些不同位置的星形膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)與此前的基因表達(dá)結(jié)果相關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)與星形細(xì)胞的胞體外基質(zhì)范圍相關(guān)的基因（Fermt2, Slc9a3r1, Ppara, Ezr, Psat1, Mertk, Celsr1等）。
具體來(lái)說(shuō)，這些基因在AST2亞群（主要集中在皮層，細(xì)胞胞體外基質(zhì)范圍較大）中高表達(dá)，而在AST6亞群（集中在紋狀體，細(xì)胞胞體外基質(zhì)較?。┲械捅磉_(dá)，與共聚焦觀察到的結(jié)果一致。
與星形膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)相關(guān)的差異基因
為了了解形態(tài)差異基因是否會(huì)影響神經(jīng)元細(xì)胞的功能，Khakh團(tuán)隊(duì)敲除了兩個(gè)與形態(tài)相關(guān)的基因Fermt2和Ezr，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生了顯著改變：星形細(xì)胞胞體外基質(zhì)范圍明顯減小，而且小鼠的認(rèn)知能力也顯著下降。
值得注意的是，他們還發(fā)現(xiàn)，小鼠海馬CA1區(qū)細(xì)胞cFos基因（與學(xué)習(xí)、記憶相關(guān)[6]）表達(dá)上調(diào)，而且突觸前膜和突觸后膜有一定程度的分離，表明這些基因不僅影響了星形膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)，還影響了神經(jīng)細(xì)胞、突觸的功能。
敲除相關(guān)基因后，星形膠質(zhì)細(xì)胞胞體外基質(zhì)范圍減小，小鼠認(rèn)知與記憶能力下降，海馬及突觸功能減退
讓Khakh團(tuán)隊(duì)感到意外的是，他們還在這些與形態(tài)相關(guān)的基因中發(fā)現(xiàn)了與AD相關(guān)的基因（如Apoe，Clu，F(xiàn)ermt2）。
為了了解這些基因與AD的關(guān)系，他們對(duì)比了AD模型小鼠（APP/PS1）與正常小鼠的星形膠質(zhì)細(xì)胞單細(xì)胞測(cè)序數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這些基因中與星形膠質(zhì)細(xì)胞胞體外基質(zhì)范圍正相關(guān)的基因表達(dá)降低，而負(fù)相關(guān)的基因表達(dá)增高，共聚焦顯微鏡的觀察也證實(shí)了AD小鼠的星形膠質(zhì)細(xì)胞胞體外基質(zhì)范圍有所減少。
此外，他們還注意到AD模式小鼠中與膽固醇穩(wěn)態(tài)、鉀離子穩(wěn)態(tài)、神經(jīng)遞質(zhì)和突觸功能相關(guān)的AST6亞群比例降低，而沒有上述功能的AST1亞群比例則增高！Khakh團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，AST1亞群的細(xì)胞的特異性表達(dá)基因可能與AD的發(fā)病機(jī)制相關(guān)，為AD帶來(lái)了新的研究方向和治療靶點(diǎn)。
AD模型的小鼠的AST6亞群比例降低，AST1亞群比例增高，共聚焦觀察其基質(zhì)范圍減小
此外，通過(guò)利用公共數(shù)據(jù)庫(kù)中的基因表達(dá)數(shù)據(jù)，他們還發(fā)現(xiàn)這些調(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)的基因，與多發(fā)性硬化、強(qiáng)迫癥、肌萎縮側(cè)索硬化等多種疾病相關(guān)，可見星形膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)改變可能與多種神經(jīng)精神疾病相關(guān)，至于這些改變對(duì)疾病的具體影響機(jī)制，還有待進(jìn)一步探索。
總的來(lái)說(shuō)，Khakh團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)工作證實(shí)了近些年對(duì)于星形膠質(zhì)細(xì)胞的猜想，在發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞異質(zhì)性的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了很多我們此前沒有注意到基因表達(dá)和信號(hào)通路差異，為星形膠質(zhì)細(xì)胞研究領(lǐng)域開拓了一片新的沃土。
這個(gè)研究也讓我們對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞和與之相關(guān)的疾病有了新的理解和思考，期待未來(lái)針對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞更多的疾病機(jī)制和治療研究。
參考文獻(xiàn)：
1 Barres BA. The mystery and magic of glia: a perspective on their roles in health and disease. Neuron. 2008;60(3):430-440. doi:10.1016/j.neuron.2008.10.013
3 Chai H, Diaz-Castro B, Shigetomi E, et al. Neural Circuit-Specialized Astrocytes: Transcriptomic, Proteomic, Morphological, and Functional Evidence. Neuron. 2017;95(3):531-549.e9. doi:10.1016/j.neuron.2017.06.029
4 Khakh BS, Deneen B. The Emerging Nature of Astrocyte Diversity. Annu Rev Neurosci. 2019;42:187-207. doi:10.1146/annurev-neuro-070918-050443
5 Endo, F., et al. Molecular basis of astrocyte diversity and morphology across the CNS in health and disease. Science.2022;378, eadc9020.
6 Herrera DG, Robertson HA. Activation of c-fos in the brain. Prog Neurobiol. 1996;50(2-3):83-107. doi:10.1016/s0301-0082(96)00021-4
責(zé)任編輯丨BioTalker
