厌恶学习行为相关的胶质细胞

撰文丨十一月

在果蝇的嗅觉系统中，通过将果蝇暴露在气味以及电击刺激下会导致果蝇学会将气味这种条件性刺激与电击这种非条件刺激相联系，并学会避开此类气味—厌恶学习。这一神经环路会被存储在大脑中的蘑菇体内。然而，将非条件性刺激传递到蘑菇体的细胞以及神经递质还尚不清楚。为此，日本东京医学科学中心Minoru Saitoe研究组在Science上发文题为Glia transmit negative valence information during aversive learning in Drosophila，揭开了厌恶学习行为中传递信息的神经环路。

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有研究发现非条件性信息是由多巴胺能神经元所传递的【1】。但最近体外神经成像实验发现非条件性信息也有可能通过蘑菇体内谷氨酸能神经元中的天冬氨酸受体NMDARs（N-methyl-D-aspartate receptors）传递【2】。果蝇大脑中谷氨酸能转运蛋白DVGLUT（ Drosophila vesicular glutamate transporter）免疫荧光染色主要存在于蘑菇体中，因此DVGLUT可能是将厌恶信息传递到蘑菇体中的受体。

为了验证这一想法，作者们进行了比对分析，发现与哺乳动物序列同源的蛋白CG4288。CG4288曾经被报道可能是潜在的DVGLUT，其氨基酸序列与小鼠VGLUT1-3序列高度同源【3】。CG4288具有12个跨膜结构域，且具有与谷氨酸转运相关序列特征。为了确定CG4288是否是谷氨酸转运蛋白，作者们将重组CG4288蛋白插入到人工脂膜囊泡中，并使用3H对谷氨酸进行标记，发现3H标记的谷氨酸能够被整合进入蛋白脂质体中。在使用VGLUT阻滞剂后，这一转运过程将会受到抑制。这些结果说明CG4288可能是新的谷氨酸转运蛋白。先前作者们曾经发现CG9887是DVGLUT1，因此作者们将CG4288称为DVGLUT2。

为了对DVGLUT2在大脑中的定位进行解析，作者们构建了DVGLUT2的抗体。作者们惊讶地发现DVGLUT2并没有表达在蘑菇体脑叶中，而是表达在围绕蘑菇体的嗅鞘胶质细胞（Ensheathing glia ，EG）之中。通过使用特异性嗅鞘细胞特异性Gal4对其进行标记，发现与DVGLUT2表达重合。通过诱导DVGLUT2-RNAi在EG细胞中表达，发现DVGLUT2会显著降低，但是使用泛神经元Gal4驱动DVGLUT2-RNAi表达则不会对DVGLUT2的表达产生影响。因此，DVGLUT2特异性表达在胶质细胞之中。

为了对DVGLUT2在烟雾厌恶行为中的重要作用进行解析，作者们对嗅鞘细胞中的DVGLUT2进行抑制。作者们发现在EG细胞而非神经元中抑制DVGLUT2会导致厌恶学习行为被扰乱。随后，作者们想知道厌恶学习行为线索能否引起EG中的囊泡外分泌。为此，作者们产生了表达小突触泡蛋白syb与splitGFP1-10融合的转基因果蝇以及CD8-splitGFP11。在这些果蝇中，syb-spGFP1-10通过囊泡融合被转运到EG细胞的表面，spGFP1-10与spGFP11融合形成完整的GFP，从而标记出被转运的突触泡蛋白。作者们发现厌恶学习线索会导致EG细胞中谷氨酸释放以及囊泡运输。

之后，作者们想知道囊泡运输的改变是否也会导致细胞内Ca2+的变化。因此作者们使用了synaptotagmin与GcaMP融合转基因果蝇，发现电击而非气味会诱导蘑菇体周围EG细胞中钙离子增加。EG中 释放的谷氨酸会结合蘑菇体中神经元中NMDARs以及多巴胺能神经元中的KARs受体。因为Mg2+在NMDARs受体中的阻碍作用，谷氨酸结合本身并不会导致Ca2+的变化。但是气味和电击线索同时出现会移除Mg2+的阻碍作用，诱导NMDAR介导的钙离子内流，从而促进蘑菇体中的神经元被气味和电击同时激活。

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图1 工作模型

总的来说，作者们的工作意外的发现包裹在蘑菇体周围的嗅鞘胶质细胞是果蝇厌恶学习行为的主要神经处理中心，将联想记忆存储在大脑之中（图1）。嗅鞘细胞从突触囊泡中释放谷氨酸，与蘑菇体神经元上的NMDARs以及多巴胺能神经元KARs受体结合，从而实现对厌恶线索的神经环路反应。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf7429

制版人：十一

参考文献

1.  A. C. Keene, S. Waddell, Drosophila memory: Dopamine signals punishment?Curr. Biol.15, R932–R934 (2005).doi: 10.1016/j.cub.2005.10.058; pmid: 16303554

2. K. Ueno et al., Coincident postsynaptic activity gates presynaptic dopamine release to induce plasticity in Drosophila mushroom bodies.eLife6, e21076 (2017). doi: 10.7554/eLife.21076; pmid: 28117664

3.  R. W. Daniels et al., Increased expression of the Drosophila vesicular glutamate transporter leads to excess glutamate release and a compensatory decrease in quantal content.J. Neurosci.24, 10466–10474 (2004). doi: 10.1523/JNEUROSCI.3001-04.2004; pmid: 15548661