Nature：发现一类具有类似谷氨酸能突触的特殊星形胶质细胞亚群
多模式星形胶质细胞-神经元通信控制大脑环路组装和功能。例如，通过快速释放谷氨酸，星形胶质细胞可以控制突触网络的兴奋性、可塑性和同步活性。对于星形胶质细胞来说，通过快速局灶性谷氨酸释放进行交流，它们应该拥有一个类似于神经元的Ca2+依赖性胞吐的装置。然而，由于缺乏直接支持证据，这种机制的存在一直受到质疑。
近日，瑞士洛桑大学基础神经科学系Ludovic Telley和Andrea Volterra研究团队在Nature发表研究。在这里，研究人员通过认识到星形胶质细胞新出现的分子异质性，重新审视了星形胶质细胞-谷氨酸胞吐假说。
1. 星形胶质细胞带有谷氨酸能特征
为了重新验证星形胶质细胞谷氨酸胞吐假说，作者整合了来自小鼠大脑的八个不同的单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单核RNA-seq数据库（每个数据库都包含海马细胞，包括高质量的单个星形胶质细胞）。确定了9个星形胶质细胞簇[Fig.1a,b]。值得注意的是，鉴定到具有与突触相关的GO富集项的簇（簇0、1、3和7），簇7表现出与胞吐、钙离子调节的胞吐、神经递质分泌的调节和谷氨酸分泌的调节特异性相关的top基因[Fig.1c]。总的来说，作者在所有小鼠海马数据库中都发现了这种突触谷氨酸胞吐簇。值得注意的是，该簇在人类中也存在[Fig.1f]。在海马体不同区域的几个分离的星形胶质细胞中也观察到突触谷氨酸能标记物的表达[Fig.1g]。因此，研究人员将这些细胞称为谷氨酸能星形胶质细胞。
Figure 1 小鼠和人海马中谷氨酸能星形胶质细胞亚群的鉴定
2. 分泌谷氨酸的星形胶质细胞成像
接下来，作者在背侧DGML中进行了双光子成像研究，该区域预计含有相当大比例的分泌谷氨酸的星形胶质细胞。通过谷氨酸传感器（SF-iGluSnFR）成像，来观察单个DGML星形胶质细胞的释放事件。发现在24个检测的星形胶质细胞中，所有都对L-Glut有反应，但只有9个在CNO激活下表现出可靠的亚秒SF-iGluSnFR荧光反应[Fig.2a-d]。说明，只有部分具有分泌谷氨酸的能力。
此外，作者还通过VGLUT1GFAP-KO基因鼠发现VGLUT1依赖性胞吐是谷氨酸能星形胶质细胞主要释放机制[Fig.2p,k]。星形胶质细胞的反应被选择性敲除P2y1r（2MeSADP诱发反应）或Slc17a7（CNO诱发反应）所抑制，表明谷氨酸释放来自星形胶质细胞。谷氨酸释放反应总是发生在星形胶质细胞的特定位点，只有部分星形胶质细胞亚群是响应者。总的来说，化学遗传学和内源性Gq-GPCR原位刺激都引起DGML星形胶质细胞亚群中谷氨酸的快速释放。
Figure 2 选择性化学遗传学或内源性受体刺激后星形胶质细胞亚群的快速谷氨酸分泌
3.在海马功能中的作用
接下来，作者利用在星形胶质细胞中选择性敲除Slc17a7的基因鼠，来研究谷氨酸能星形胶质细胞在突触功能和行为中的潜在作用。首先，θ burst诱发的长时程增强的降低似乎特别依赖于星形胶质细胞VGLUT1的缺失，这意味着谷氨酸能星形胶质细胞对位于其区域内的PP–GC突触LTP产生影响。其次，星形胶质细胞VGLUT1敲除后观察到的情境记忆缺陷，表明谷氨酸能星形胶质细胞在生理记忆处理中具有功能。第三，在病理过程中，星形胶质细胞VGLUT1依赖性信号传导对红藻氨酸诱导的急性癫痫发作具有保护作用[Fig.3]。
Figure 3 星形胶质细胞中VGLUT1的缺失导致皮质-海马回路中LTP、记忆和癫痫急性发作模式的变化
4. 黑质纹状体回路中的作用
接下来，研究了谷氨酸能星形胶质细胞是否调节额外的脑回路。重点研究了连接黑质致密部（SNpc）和背侧纹状体（dST）的中脑多巴胺能（DA）回路。对整个黑质数据库的分析发现在黑质中VGLUT2高于VGLUT1。因此，为了研究SNpc中的谷氨酸能星形胶质细胞，作者构建了星形胶质细胞靶向的VGLUT2相关系基因鼠。电生理发现，VGLUT2GFAP-KO（而非VGLUT1GFAP-KO）小鼠的自发兴奋性突触电流（sEPCs）发生频率明显更高。此外，VGLUT2GFAP-KO小鼠的基础DA水平显著高于对照小鼠[Fig.4]。总的来说，这些发现支持了星形胶质细胞VGLUT2依赖性信号传导的内源性调节功能，通过激活突触前III型mGluRs调节黑质DA神经元上的谷氨酸能突触传递。
Figure 4 星形胶质细胞中VGLUT2的敲除改变了黑质纹状体回路功能和体内DA水平
总结
长期以来，星形胶质细胞的Ca2+依赖性谷氨酸胞吐和谷氨酸能胶质传递一直存在争议。本文中发现了一个具有类似谷氨酸能突触的离散分子特征的特殊星形胶质细胞亚群，确定了VGLUT依赖性谷氨酸释放的解剖分布和功能能力。为解决这些争论提供了关键信息。
这些数据不仅证明星形胶质细胞谷氨酸胞吐作用存在于成年大脑中，而且可以解释为什么以前的报告无法在星形胶质细胞中发现VGLUT和调节胞吐蛋白的表达。因为对整个大脑区域的大量RNA-seq研究稀释了少数、分布不均的亚群（如谷氨酸能星形胶质细胞）的作用。
未来的研究预计将产生中枢神经系统范围的图谱，这将有助于定义谷氨酸能星形胶质细胞的总体分布及其全部作用。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06502-w
参考文献
de Ceglia, Roberta et al. “Specialized astrocytes mediate glutamatergic gliotransmission in the CNS.” Nature, 10.1038/s41586-023-06502-w. 6 Sep. 2023, doi:10.1038/s41586-023-06502-w
编译作者：Young（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
