星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)神經(jīng)回路形成作用研究進(jìn)展☆

袁成芳 樓小亮

星形膠質(zhì)細(xì)胞（astrocytes，Ast）是哺乳動(dòng)物大腦中含量最多的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，它在維持血腦屏障、調(diào)節(jié)局部血流量、抗氧化和代謝支持以及神經(jīng)回路的形成上起著重要的作用。星形膠質(zhì)細(xì)胞可以通過(guò)各種分泌信號(hào)控制突觸的形成、成熟和修剪。近年來(lái)，在突觸缺陷所引起的一系列神經(jīng)精神疾病中也可以發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞的身影，了解星形膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)回路發(fā)育和功能的調(diào)控，有助于對(duì)這一系列健康疾病問(wèn)題提供新的治療手段。神經(jīng)回路的形成主要包括三個(gè)過(guò)程，首先，軸突和樹(shù)突之間形成未成熟突觸；其二，突觸成熟，沉默突觸轉(zhuǎn)化為活性突觸；其三，敲除和修剪過(guò)量及不合格突觸。星形膠質(zhì)細(xì)胞可以控制突觸形成、成熟和消除的每個(gè)階段以支持神經(jīng)回路的發(fā)生和維護(hù)。現(xiàn)將星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)神經(jīng)回路形成的調(diào)節(jié)作用研究進(jìn)展綜述如下。

1 Ast影響突觸形成

在出生后嚙齒動(dòng)物的CNS中，大量神經(jīng)元成熟并開(kāi)始投射突觸，而突觸形成的過(guò)程卻是在這之后的一周才開(kāi)始。在這一時(shí)間，我們可以在大腦中檢測(cè)到一些分泌因子開(kāi)始表達(dá)和/或迅速升高，映射出這些因子在突觸形成中的特殊性。

Ast可以使用分泌和接觸介導(dǎo)的信號(hào)控制突觸的形成（見(jiàn)表1）。例如在嚙齒動(dòng)物體內(nèi)，神經(jīng)連接蛋白（neuroligins，NLs）家族 NL1、NL2 和 NL3，由 Ast表達(dá)，通過(guò)與神經(jīng)元上軸突蛋白（neurexins，NRXs）相互作用，發(fā)生雙向信號(hào)傳導(dǎo)，該過(guò)程對(duì)興奮性突觸的形成和成熟至關(guān)重要。而NLs可以通過(guò)影響Ast分泌突觸發(fā)生因子（例如SPARCL）的表達(dá)和定向釋放，改變 NLs和NRXs之間的跨突觸相互作用，從而控制突觸連接[1]。STOGSDILL等[2]發(fā)現(xiàn)，Neuroligin和Neurexin可能直接調(diào)控突觸形成及功能。當(dāng)NL2不表達(dá)時(shí)，興奮性突觸的數(shù)量下降50%，而抑制性突觸的數(shù)量不變，但是活性增加，當(dāng)NL2存在時(shí)，興奮性突觸的形成和功能減弱，抑制性突觸功能增強(qiáng)。此外，研究發(fā)現(xiàn)，大腦中大多數(shù)細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)分子是由Ast和神經(jīng)元產(chǎn)生和釋放，當(dāng)四基因敲除小鼠 （TnC，TnR，neurocan和brevican即ECM的主要成分）的興奮性突觸增強(qiáng)而抑制性突觸減少，從而調(diào)節(jié)興奮性和抑制性突觸比例[3]。

2 Ast控制突觸成熟

2.1 分泌細(xì)胞因子 Ast可以通過(guò)分泌細(xì)胞因子控制細(xì)胞成熟 (具體見(jiàn)表2)，包括分泌磷脂?；嫉鞍拙厶?4（glypicans 4，Gpc4）[22]，研究發(fā)現(xiàn)[23]，在嚙齒動(dòng)物的上丘（SC），Gpc 4可誘導(dǎo)突觸前末梢釋放AMPA受體聚類(lèi)因子pentraxin 1，募集含GluA1的AMPA受體到突觸后末梢，形成功能突觸，這一過(guò)程也表示只有當(dāng)軸突和目標(biāo)樹(shù)突都符合突觸形成條件，AMPA受體才會(huì)聚集。而Gpc4敲除小鼠顯示出特定年齡的行為改變，與GluA1突觸水平的改變和與ASD相關(guān)的行為一致，進(jìn)一步說(shuō)明Gpc4對(duì)于神經(jīng)回路的重要性[24]。

2.2 直接接觸 成熟的海馬中57%突觸與Ast直接接觸[27]，這一過(guò)程對(duì)樹(shù)突棘的影響具有異質(zhì)性。其一，WITHERS等[28]發(fā)現(xiàn)，靠近Ast的樹(shù)突的絲狀偽足朝向Ast生長(zhǎng)，接觸后樹(shù)突生長(zhǎng)被抑制，出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)生長(zhǎng)，而促進(jìn)突觸形成的Ast分泌的細(xì)胞因子并不影響樹(shù)突生長(zhǎng)。其二，Eph受體家族及其配體同屬膜結(jié)合蛋白，通過(guò)直接的細(xì)胞接觸，Eph-ephrin信號(hào)通路被激活，這一過(guò)程可以影響樹(shù)突棘的局部成熟與穩(wěn)定。MURAI等[29]發(fā)現(xiàn)，Astephrin-A3誘導(dǎo)樹(shù)突棘上EphA4受體的激活，穩(wěn)定樹(shù)突棘，對(duì)維持正常的脊柱形態(tài)至關(guān)重要。而當(dāng)EphA4或ephrin-A3缺失時(shí)，發(fā)生Ast接觸的樹(shù)突狀突起的生存期明顯[30]。突觸后的CA1細(xì)胞中，EphA4胞外域可能激活A(yù)st中的ephrinA3反向信號(hào)，控制突觸附近的谷氨酸濃度并促進(jìn)LTP[31]。鑒于LTP對(duì)突觸成熟的重要性，或?yàn)镋ph-ephrin信號(hào)通路調(diào)節(jié)樹(shù)突棘成熟提供了可能。

3 Ast參與突觸的修剪作用

神經(jīng)元連接的局部修飾和細(xì)化對(duì)神經(jīng)回路的形成至關(guān)重要，它可以選擇性地去除不必要的神經(jīng)過(guò)程和突觸，為更精準(zhǔn)的神經(jīng)連接及功能提供可能。過(guò)去，我們認(rèn)為，小膠質(zhì)細(xì)胞與發(fā)育中的大腦突觸修剪有關(guān)，而近年來(lái)，許多研究表明，Ast也參與這一過(guò)程[32]。

表1 星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放因子對(duì)突觸形成的調(diào)節(jié)作用

表2 星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放因子對(duì)突觸成熟的調(diào)節(jié)作用

圖1 星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放因子對(duì)突觸形成及成熟影響示意圖

3.1 免疫系統(tǒng)與突觸修建作用 免疫分子，包括補(bǔ)體蛋白C1q和C3已經(jīng)成為神經(jīng)回路細(xì)化的關(guān)鍵介質(zhì)。Ast通過(guò)分泌轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子 β（TGF-β）[33]，上調(diào)神經(jīng)元中的 C1q，C1q通過(guò)與小膠質(zhì)細(xì)胞上受體CR3結(jié)合，啟動(dòng)經(jīng)典補(bǔ)體級(jí)聯(lián)反應(yīng)，由小膠質(zhì)細(xì)胞行使突觸修剪功能。缺乏C1q有可能導(dǎo)致CNS突觸修剪功能障礙，影響CNS的正常發(fā)育[34]。而C1q的突觸修剪作用還取決于環(huán)境[35]，例如嚙齒動(dòng)物的初級(jí)視覺(jué)皮層的可塑性并不需要C1q參與。此外，研究證明[36]，生理狀態(tài)下，Ast衍生的白細(xì)胞介素-33免疫信號(hào)可以通過(guò)誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞行使突觸修剪以維持最佳的突觸數(shù)量，也進(jìn)一步證實(shí)免疫系統(tǒng)可以通過(guò)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞來(lái)影響大腦發(fā)育。

3.2 吞噬信號(hào) MEGF10和MERTK是高度定位于Ast中的吞噬受體[37-38]，MEGF10及MERTK在物種間具有高度保守性，其中MERTK是LPS的已知受體，MEGF10是一種可以結(jié)合C1q的受體[39]。研究發(fā)現(xiàn)MEGF10和MERTK識(shí)別目標(biāo)碎片(包括興奮性突觸和抑制性突觸)所呈現(xiàn)的吞噬信號(hào)（如LPS）啟動(dòng)吞噬過(guò)程，這一吞噬過(guò)程在成年小鼠的CNS中持續(xù)存在。此外，Ast的Ephrin-B1可以通過(guò)與神經(jīng)元的Ephrin-B1競(jìng)爭(zhēng)突觸表面的EphB受體[40]，導(dǎo)致需要ephrin-B1反向信號(hào)傳導(dǎo)的突觸位點(diǎn)的吞噬。未被占據(jù)的突觸EphB受體可以作為吞噬信號(hào)來(lái)靶向移除突觸。這一過(guò)程可以觸發(fā)突觸丟失及長(zhǎng)期的情境記憶受損。

3.3 載脂蛋白E 在CNS中，載脂蛋白E(APOE)主要由Ast分泌，它可以將膽固醇傳遞給神經(jīng)元。研究發(fā)現(xiàn)，向RGC中添加膽固醇可以增加興奮性突觸的數(shù)量并提高突觸前膜囊泡的釋放量[41]，導(dǎo)致突觸前膜功能整體增加。另一方面，APOE等位基因?qū)Π柎暮ＤY的敏感性有一定的影響。APOE在人類(lèi)中有三種常見(jiàn)的同種型，包括E2、E3和E4，研究發(fā)現(xiàn)[42]，APOE的E2等位基因可以增強(qiáng)Ast對(duì)突觸的吞噬率，APOE的E4基因可能降低Ast對(duì)突觸或神經(jīng)碎片的清除而導(dǎo)致神經(jīng)功能缺失。但是APOE具體如何發(fā)揮突觸修剪作用尚不明確，有學(xué)者猜測(cè)，鑒于 Ast可以表達(dá)多種APOE受體，包括 LRP1，LRP8，LDLR 和 VLDLR[43]，其中 LRP1 是一種已知的吞噬受體[44]，APOE可能通過(guò)與突觸和/或Ast上存在的APOE受體結(jié)合，將突觸/突觸碎片橋接至Ast表面，從而實(shí)現(xiàn)突觸吞噬。

4 總結(jié)

近幾年，Ast由幕后推向舞臺(tái)，Ast的作用再不僅限于曾經(jīng)的神經(jīng)支持。關(guān)于Ast對(duì)于神經(jīng)回路的影響的也成為備受關(guān)注的話(huà)題。Ast控制著突觸的形成、成熟以及修剪，任何步驟上的異常都可能對(duì)CNS的發(fā)育與健康造成巨大的影響。它通過(guò)與神經(jīng)元之間的信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)興奮性遞質(zhì)與抑制性遞質(zhì)的合成和釋放，也通過(guò)分泌因子，募集突觸后膜上的受體，將沉默信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕d奮性信號(hào)。在突觸消除上，Ast可以通過(guò)調(diào)節(jié)免疫進(jìn)而影響神經(jīng)回路的形成，過(guò)去我們認(rèn)識(shí)里的只有小膠質(zhì)細(xì)胞行使突觸修剪的思想模式已經(jīng)發(fā)生了改變。而在腦卒中一類(lèi)疾病中，以神經(jīng)干細(xì)胞移植幫助卒中后CNS系統(tǒng)恢復(fù)的觀念也在近年來(lái)受到質(zhì)疑，Ast成為卒中后治療的新靶點(diǎn)的有利候選[45-46]，關(guān)于Ast在幫助卒中后CNS系統(tǒng)恢復(fù)、建立新的神經(jīng)回路、挽回認(rèn)知功能、改善預(yù)后上的效果，還留待進(jìn)一步研究深入。