三医大基础研究团队聚焦胶质细胞，一年内发Nat Neurosci、Neuron（2）和Adv Sci
传统认为胶质细胞属于结缔组织，其作用仅是连接和支持各种神经成分，其实神经胶质还起着分配营养物质、参与修复和吞噬的作用，在形态、化学特征和胚胎起源上都不同于普通结缔组织。近几年逐渐成为研究的热点，中国神经科学学会还成立胶质细胞研究分会。此前，Brainnews 精选了2020-2021胶质细胞的最新进展/报道 111 篇。 收藏：111篇胶质细胞相关研究进展汇编
近年来，陆军军医大学(原第三军医大学)脑科学领域飞速发展，其中有不少是聚焦在这个领域的。本期，我们汇编了2021年他们多篇围绕胶质细胞的研究，一起来学习！
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“记忆”是我们每个个体的生活经验在大脑中积累的印记，指导着我们每个人当下及今后的行为过程。“记忆”决定了我们是谁。如果丧失记忆维持的能力，我们将失去自我，迷失在复杂多变的生活中。
大脑主要由两种组成成分构成。一类是神经元，其为神经系统产生功能的基础。另一类是胶质细胞，被认为对神经元具有支持，营养，提供代谢能量的作用。之前的科学研究主要集中于神经元在记忆维持中的作用。即记忆维持需要参与记忆编码的神经元之间突触连接的增强。
星形胶质细胞是哺乳动物大脑内分布最广泛的一种细胞类型。越来越多研究表明，其对于神经元的突触连接可起到关键调控作用。研究显示，星形胶质细胞通过调控胞内“钙信号”，引起“胶质递质”释放，从而不仅在微观尺度上调控突触形成及可塑性，也在宏观尺度上调控群体神经元的活动。那么星形胶质细胞是否参与了记忆的维持呢？
2021年11月15日，陆军军医大学基础医学院张宽等在Nature Neuroscience 上发表题为“Fear learning induces α7-nicotinic acetylcholine receptor-mediated astrocytic responsiveness that is required for memory persistence ”的文章。
该研究发现：学习过程可诱导皮层星形胶质细胞产生新的激活信号，该信号由尼古丁受体所介导，是记忆维持的重要细胞机制。
此项研究主要有以下三大发现：
1.学习训练过程可逐步诱导星形胶质细胞产生学习相关钙信号,此钙信号由星形胶质细胞尼古丁受体所介导。
作者首先利用活体双光子钙成像技术以及自由清醒动物钙信号记录技术，在单细胞尺度和自由清醒动物中发现伴随学习训练过程，星形胶质细胞可逐步产生与学习相关的钙信号。此种钙信号可被尼古丁受体阻断剂完全阻断。
视频. 足底电击所诱发的小鼠听觉皮层星形胶质细胞钙信号（活体双光子显微钙成像）
图1. 恐惧学习训练可诱导星形胶质细胞产生钙信号
2.星形胶质细胞学习相关“钙信号”与记忆行为同步维持或消退。
进一步研究发现，星形胶质细胞学习相关钙信号可伴随记忆行为维持至少13-15天。人为消除动物记忆行为，星形胶质细胞学习相关钙信号也出现同步降低或消失。
3.星形胶质细胞尼古丁受体介导记忆维持。
最后，作者利用条件性基因敲除小鼠及病毒介导的皮层内条件性基因敲除技术，分别在恐惧学习训练前后，将星形胶质细胞尼古丁受体敲除，然后对其进行记忆提取实验。结果表明，星形胶质细胞尼古丁受体敲除后，恐惧记忆行为明显降低。
此工作直接证实了星形胶质细胞可产生学习相关钙信号，且在记忆维持过程中起到了至关重要的作用。这一结果为人们理解记忆维持的机制阐明了新方向，也为记忆功能障碍干预提供了新靶标。
该工作第一作者为陆军军医大学张宽，最后通讯作者为陆军军医大学谌小维，共同第一和共同通讯作者分别为德国慕尼黑工业大学Rita Förster和Arthur Konnerth，合作团队还包括：重庆大学医学院神经智能研究所廖祥组，复旦大学基础医学院秦松组，空军军医大学基础医学院陈涛组，苏黎世大学苏黎世神经科学中心Bruno Weber组，广西大学脑与智能研究中心等。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41593-021-00949-8
Nat Neurosci：记忆如何维持？张宽、谌小维等合作揭示星形胶质细胞的关键作用
2
迄今为止，因髓鞘再生障碍而导致永久性脑白质损伤仍然是神经科学领域中未能解决的难题之一。比如在多发性硬化症、新生儿脑白质损伤等髓鞘再生障碍的疾病中，本该进入分化周期、进行髓鞘再生的少突胶质前体细胞（Oligodendrocyte precursor cell，OPC）受到抑制，不能进入分化过程。
长期以来，人们对髓鞘再生障碍性疾病中OPC分化机制的研究，主要借助对发育中OPC调控模式的观察，并认为再生是发育的“重演”。然而，在促进疾病中OPC分化成熟、髓鞘再生中的失败经验，使得人们越来越清晰地意识到：发育和再生可能具有不同的调控机制。
2021年8月13日，陆军军医大学牛建钦教授与美国加州大学旧金山分校Stephen Fancy教授联合在Neuron上在线发表了题为“Oligodendroglial Ring Finger Protein Rnf43 is an essential injury specific regulator of oligodendrocyte maturation”的研究论文，对髓鞘再生中调控OPC分化的特异分子机制进行了探索。
牛建钦教授为本文第一作者，牛建钦教授和Stephen Fancy教授（lead contact）为共同通讯作者。
该论文利用多发性硬化症患者和新生儿脑白质损伤的脑组织样本，结合多种利用条件敲基因小鼠建立的髓鞘损伤模型和在体持续性给药系统等技术模型，鉴定出环指蛋白RNF43是一种仅在髓鞘再生中发挥作用的少突胶质细胞谱系特异性分子。RNF43的表达受OPC中Wnt信号通路激活的调控，可标记患者脑内损伤部位激活的OPC。通过对RNF43作用机制的探索，发现RNF43可促进OPC细胞膜上Wnt信号受体Frizzled1（FZD1）的下膜，反馈性抑制Wnt通路的激活，调控OPC的分化成熟。同时，进一步针对FZD1的药物干预能够有效促进髓鞘再生。该论文揭示出：与正常发育不同，疾病状态下髓鞘再生存在特定的分子机制来调控OPC分化成熟，这为相关疾病的认识和治疗研究提供了新的理论基础及实验靶点。
E3泛素连接酶环指蛋白RNF43（Ring finger protein 43）最早发现于小肠的干细胞中，与其功能互补的锌环指蛋白ZNRF3一道，既受Wnt信号通路的表达调控，又使Wnt信号Frizzled受体下膜，经泛素化降解后，以负反馈的方式抑制Wnt通路的过度激活。在人髓鞘损伤相关疾病和动物模型中，OPC的Wnt信号通路异常激活，论文作者在这些样本中，发现RNF43仅表达于髓鞘损伤内的OPC，且表达量随损伤和Wnt通路的激活而升高。与RNF43功能相似互补的ZNRF3却没有上述表达特点。
通过对比RNF43或ZNRF3在不同髓鞘损伤模型中的作用，作者证实RNF43仅对损伤再生过程中的OPC分化成熟有效应，而在发育过程中作用有限；而ZNRF3对发育和再生都无作用。提示RNF43可能是髓鞘再生中，调控OPC分化的特异分子。
目前，虽然对Wnt通路在髓鞘发育和再生中的作用早有见地，但对少突胶质细胞谱系的Wnt信号受体却鲜见报道。在该论文中，作者利用细胞膜分离技术，发现OPC细胞膜上表达有FZD1、FZD2、FZD6和FZD9受体，但只有FZD1会受RNF43的调控，并进一步通过Co-IP与细胞学实验证实，RNF43与FZD1的结合，引起FZD1下膜，定位于细胞质内。
鉴于RNF43对FZD1的调控作用，作者进一步探究了药物抑制FZD1是否可以促进髓鞘的再生。通过直接给药、微量注射泵（Osmotic mini-pump）植入给药等方法，作者在OPC培养模型、脑片培养模型、溶血卵磷脂诱导的髓鞘损伤模型中，给予FZD1选择抑制性多肽UM206处理，证实UM206可以有效降低OPC的Wnt信号通路激活水平，促进OPC分化成熟和髓鞘再生。
图：工作模型
综上所述，该研究证实了髓鞘发育和再生中OPC分化的不同调控方式；发现RNF43是调控髓鞘再生中OPC分化的特异分子；同时也揭示了RNF43的作用机制和可能的药物作用靶点，为髓鞘损伤相关疾病的深入认识和治疗研究提供了新的理论基础及实验靶点。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.07.018
3
阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）是一种起因不明的神经系统退行性疾病。临床上以进行性记忆障碍、认知下降等高级脑功能损害为主要特征。AD的发病机制尚不完全清楚，也缺乏有效的治疗手段。
临床影像证据表明，AD患者大脑有明显的白质改变[1,2]，而脑白质含大量髓鞘化的神经纤维。中枢神经系统（central nervous system, CNS）的髓鞘（myelin）由少突胶质细胞（oligodendrocyte, OL）的突起反复包绕轴突形成，具有绝缘轴突、加快神经冲动传导、为轴突提供营养支持等作用。
成年动物CNS的髓鞘保持动态变化，一方面CNS存在大量的少突胶质前体细胞（oligodendrocyte precursor cells, OPCs），可分化为OL，形成新髓鞘；另一方面已形成的髓鞘可少量退化。
最近的研究和团队前期工作表明，成年小鼠的髓鞘形成与空间学习记忆能力密切相关，髓鞘形成减少是老化相关记忆功能下降的重要原因之一[3-5]。已有研究发现AD大脑中的髓鞘总量减少，但髓鞘动态变化及其功能意义尚不清楚。
陆军军医大学（第三军医大学）基础医学院梅峰教授团队，长期研究髓鞘动态变化，及其在CNS发育和疾病中的作用和调控机制。2021年6月8日，在神经科学期刊Neuron在线发表了题为“Enhancing myelin reverses cognitive dysfunction in a murine model of Alzheimer’s disease”的研究论文。
该论文采用细胞特异性荧光报告转基因小鼠，在APP/PS1（AD模型）小鼠大脑中，观察新生髓鞘和追踪已形成髓鞘，揭示了AD小鼠大脑独特的髓鞘动态变化；采用条件敲基因小鼠、行为学、电生理记录等方法，证明了促进髓鞘更新缓解AD小鼠的记忆能力降低和海马电生理异常。该论文为理解AD发病过程中的髓鞘变化和功能提供了新的实验室证据（图1）。
已有研究和该论文均发现AD人脑标本和AD模型小鼠大脑存在广泛的髓鞘总量减少，且AD模型小鼠髓鞘减少与学习记忆能力下降出现的时间相近（7月龄）。
一般认为AD大脑的OPC分化障碍和髓鞘形成异常是髓鞘总量减少的主要原因之一。该论文研究者通过构建APP/PS1; NG2-CreERT; Tau-mGFP荧光报告基因小鼠标记和观察新生髓鞘，在APP/PS1小鼠记忆能力下降初期（7月龄）诱导。
3个月后，与同年龄对照比较，意外发现AD小鼠大脑的海马，皮层，胼胝体等脑区出现更多的新生髓鞘（图2）。说明AD小鼠大脑的髓鞘再生可能因为广泛脱髓鞘而代偿性增强，类似于其他脱髓鞘疾病（如：多发性硬化）的髓鞘修复过程。
图2. APP/PS1小鼠脑内的髓鞘形成
为了明确已形成髓鞘的退化情况和新生成髓鞘是否能够累积，研究者构建了APP/PS1; PLP-CreERT; mT/mG荧光报告基因小鼠。2-4月龄诱导标记已形成髓鞘（GFP+），13月龄取材，结合MBP染色，观察到AD小鼠大脑中已形成髓鞘（GFP+/MBP+，标记为蓝色）较对照组大量减少，但同时有更多新形成髓鞘（GFP-/MBP+，标记为红色）（图3），说明AD小鼠大脑的新生髓鞘可以累积增加。
以上结果提示，AD小鼠大脑中虽然新生髓鞘可累积增多，但因为已形成髓鞘的快速退化，导致髓鞘总量减少。
图3. APP/PS1小鼠脑内的新生髓鞘累积增加
由于目前尚无有效防止髓鞘退化的方法，研究者设想通过增强内源性髓鞘形成，有可能更好的修复髓鞘，并改善AD相关的学习记忆能力下降。课题组在前期的研究中证实毒蕈碱受体1（M1R）负性调控OPC分化和髓鞘形成，在发育和老化大脑中均具有促进髓鞘形成的作用[5, 6]。
因此，研究者构建了APP/PS1; NG2-CreERT; M1R fl/fl; Tau-mGFP小鼠，通过诱导敲除OPC的M1R表达，促进AD小鼠的髓鞘形成。诱导敲除7-8月龄APP/PS1小鼠OPC中的M1R，结果发现小鼠脑内新生髓鞘在3个月和6个月后均较对照组明显增多，髓鞘总量显著恢复（图4）。
值得注意的是，APP/PS1;M1R cKO小鼠诱导后的3月、6月和9月，新生髓鞘呈线性持续增加。以上研究结果说明，促进髓鞘形成能够有效改善AD相关的髓鞘退化。
研究者采用Morris水迷宫和新物体识别的方法，进一步证明促进髓鞘更新，能够明显改善APP/PS1小鼠的认知功能障碍（图5）。
采用在体记录等方法，也发现M1R敲除小鼠髓鞘形成增加后，能够增强记忆相关的神经元激活和慢波睡眠期海马的尖波涟漪波（Sharp wave ripple，SWR）活动。采用促髓鞘形成药物-氯马斯汀(clemastine)治疗APP/PS1小鼠，也具有类似的保护作用。
综上所述，该论文揭示了AD相关的髓鞘动态变化，提出促进髓鞘形成缓解AD相关的认知功能障碍的治疗策略。
陆军军医大学组织胚胎学专业2018级博士生陈婧菲、发育生物学2018级硕士生刘坤、生理教研室胡波教授为本文第一作者；美国加州大学旧金山分校陈儒育（Jonah R. Chan）教授、陆军军医大学肖岚教授和梅峰教授（lead contact）为本文通讯作者。
参考文献
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随着全球城市化进程不断加速，大量劳动力的城镇迁移导致农村留守儿童问题日益凸显。儿童成长过程中遭受缺乏关爱等早期应激，容易患上抑郁症、焦虑症等精神疾病，并有更高的自杀倾向【1】。相关精神障碍疾病的机制大多从神经元的角度进行解析，但近年来，胶质细胞在疾病发生中的作用逐渐得到重视。由连接蛋白介导形成的星形胶质细胞网络（Astrocytic network），通过钙波传递，协调区域内星形胶质细胞功能，并通过能量代谢供应、神经递质和离子稳态调节等功能，参与突触传递和可塑性调节，在神经环路的建立和动物的学习记忆等行为中发挥重要的作用【2， 3】。星胶网络的异常在抑郁症患者与早期生活压力模型动物中都被发现【4, 5】，但机制尚不清楚。
陆军军医大学（原第三军医大学）牛建钦、肖岚教授团队，聚焦少突胶质细胞发育与精神疾病研究十余年。从少突与星形胶质细胞互相作用出发，2021年6月22日，与中山大学附属第七医院易陈菊研究员团队联合，在Advanced Science在线发表了题为Reduced oligodendrocyte precursor cell impairs astrocytic development in early life stress的研究论文。该论文利用多种条件敲基因小鼠，结合行为学、免疫荧光染色、荧光漂白恢复等技术发现，早期隔离小鼠脑内，少突胶质细胞祖细胞（OPC）的减少能够抑制星形胶质细胞及星胶网络的发育，影响神经元的激活。进一步通过体外实验、测序分析和在体功能缺失等研究发现，OPC可释放Wnt 7b，以旁分泌的形式调控星形胶质细胞发育和网络形成，而外源Wnt 7b的补充可有效缓解隔离小鼠脑内星形胶质细胞的发育及网络形成障碍。该论文从胶质细胞的角度阐明了早期应激所致精神行为异常的机制，为相关疾病的防治提供了新的理论基础。
作者通过改进的小鼠亲代隔离模型模拟早期应激，排除了传统模型中隔离组与对照组中营养供应差异的干扰。发现隔离小鼠表现出抑郁、焦虑及冲动样行为学改变；并且从七天龄（P7）开始，隔离小鼠的皮层与海马内，星形胶质细胞表现出突起分支减少，连接蛋白Cx43表达下调等发育异常。通过gap-FRAP、钙成像等技术证实，隔离模型小鼠的星胶网络出现了功能缺陷。
为探究影响星胶网络发育的因素，作者进一步追溯模型建立早期大脑中其他病理改变，发现OPC的数量早在P4开始，就由于增殖减缓而减少，提示OPC对星胶网络发育的潜在调控。利用PdgfraCreER:DTA小鼠在发育早期去除OPC，作者发现了OPC对星胶网络发育的重要促进作用。在体外实验中发现，OPC通过分泌的方式而非直接接触的方式，影响星形胶质细胞发育。
那么，OPC是如何调控星形胶质细胞发育呢？作者对隔离模型中星形胶质细胞进行RNA测序，发现与对照组相比，隔离组星形胶质细胞中Wnt/β-catenin信号通路下调。OPC是脑中Wnt配体的重要来源。作者通过体外实验发现，星形胶质细胞的发育对OPC来源的Wnt7a与Wnt7b配体最为敏感。为验证OPC来源的Wnt7a/b对星胶网络发育的重要作用，作者构建了Wnt7a-flox与Wnt7b-flox小鼠，与Pdgfra CreER小鼠杂交以在OPC中敲除Wnt7a/b。结果发现，OPC来源的Wnt7b为星胶网络正常发育所必须。更有趣的是，在OPC中条件性敲除Wnt7b可进一步导致小鼠的抑郁表型。
鉴于Wnt7a/b对星胶网络发育的重要作用，作者进一步探究补充Wnt7a/b是否可挽救隔离小鼠中星胶网络发育异常。通过微注射泵植入的方法，作者在隔离模型早期对小鼠海马持续注射Wnt7a与Wnt7b因子，并发现与对照 (仅注射生理盐水) 相比，Wnt7a/b注射组后星形胶质细胞突起增加，缝隙连接蛋白表达增多，提示Wnt7a/b的补充可挽救隔离小鼠模型的星胶网络发育异常。
工作模型
综上所述，该研究发现了OPC除分化形成髓鞘外，可通过旁分泌活化星形胶质细胞Wnt通路，促进细胞成熟和胶质网络发育的新功能；同时也揭示了胶质细胞在早期应激所致精神障碍性疾病中的作用机制，为相关精神疾病的防治提供了新的理论依据和实验基础。
陆军军医大学组织胚胎学专业2018级博士研究生王玉鑫和中山大学附属第七医院博士后苏一洵为本文第一作者。中山大学附属第七医院易陈菊研究员、陆军军医大学肖岚教授、牛建钦教授（lead contact）为本文通讯作者。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202101181
参考文献
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资料参考：brainnews、小柯生命等
汇编：brainnews编辑部