Nat Neurosci丨斯坦福研究揭示NF1基因突变对神经功能障碍的新机制

神经遗传性疾病，如1型神经纤维瘤病(NF1)，可导致认知和运动障碍，传统上被归因于固有的神经元缺陷，如突触功能中断。活性调节的少突胶质可塑性也通过调节神经环路动力学来促进认知和运动功能。然而，少突胶质细胞的可塑性与NF1患者神经功能障碍的相关性尚不清楚。

2024年5月30日，斯坦福大学神经病学与神经科学系的David H. Gutmann和Michelle Monje团队在Natureneuroscience杂志发表题为《Nf1 mutation disrupts activity-dependent oligodendroglial plasticity and motor learning in mice》的文章，表明少突胶质细胞的可塑性对健康大脑正常的神经功能至关重要，神经遗传疾病NF1的Nf1基因突变会扰乱适应性少突胶质细胞反应，这会损害少突胶质细胞的动力学，导致运动学习障碍。

1. NF1突变型OPC对神经元活动的反应受损

为了确定Nf1突变如何影响OPC对神经元活动的适应性反应，作者构建了遗传上野生型(WT)等效， OPC特异性杂合型Nf1突变和OPC特异性Nf1-null。携带hSyn1启动子驱动的通道视紫红质2 (CHR2- EYFP)的腺相关病毒(aav)被注射到运动前皮层，以实现CHR2的神经元表达。然后在运动前皮层的V层神经元上方放置一个光学套管，这样可以用蓝光刺激CHR2表达神经元的动作电位。在蓝光刺激下，小鼠被给予5-乙基-2 ' -脱氧尿苷(EdU)来识别分裂的细胞。光遗传刺激3小时后，在包含受刺激神经元轴突的额叶白质突起(扣带)中测量增殖的OPCs。研究结果表明Nf1突变的OPCs缺乏预期的对神经元活动的适应性增殖反应，并支持Nf1在调节OPCs的稳态密度方面的作用。

2. 缺乏经验调节的少突胶质发生

由于Nf1突变导致OPC失调，作者接下来询问Nf1失活是否会损害OPC对运动学习背景下神经元活动的反应。该实验范式设置为复杂的滚轮有不均匀间隔的横条，需要运动学习才能使小鼠保持在滚轮上。随着小鼠的学习，它们在观察期间跑得越来越快。这种运动技能学习任务诱导OPC增殖和新少突胶质细胞的产生，这种活性调节的少突胶质细胞形成对于复杂的车轮运动学习是必要的。研究结果显示，Nf1基因在OPC分化中起着关键作用，并在Nf1缺失的OPC中缺乏经验依赖性少突胶质细胞形成。

3. Nf1损失通过PI3K/ AKT活性产生OPC高密度

为了确定单等位基因Nf1失活是否也会导致经验依赖性少突胶质细胞发生的缺陷，作者接下来在7天复杂轮试验结束时分析了Nf1OPC-Het (Nf1fl/+;Pdgfra::Cre)小鼠的OPC动态。有趣的是，作者观察到Nf1OPC-Het小鼠整个大脑的焦区含有增加的OPC密度(局灶OPC高密度)。

在这些局灶性OPC高密度中，未观察到小胶质细胞(Iba1+细胞)、反应性小胶质细胞(CD68+ /Iba1+细胞)或反应性星形胶质细胞(Cxcl10+ /Sox9+细胞)的密度变化。作者也没有在这些局灶性OPC高密度中检测到衰老细胞(p21+细胞)或凋亡细胞(TUNEL+细胞)。病灶OPC高密度的大小似乎随着年龄的增长而增加。作者发现，与相同大脑中OPC密度正常的区域相比，5周龄时局灶OPC高密度区域的OPC增殖短暂增加，而24周龄时则没有。然而，通过EdU示踪证实相对于非高密度区域，OPC病灶高密度区域的OPC生成新少突胶质细胞的能力降低，成年小鼠的OPC病灶高密度区域内外的成熟少突胶质细胞密度没有差异。相比之下，其他肿瘤抑制基因(如Trp53、Pten和Rb1)单等位基因失活的小鼠没有表现出局灶性OPC高密度，这表明这种表型是NF1独有的。

4. Nf1突变小鼠OPC功能障碍的诱发病因

作者想进一步探索Nf1突变小鼠OPC功能障碍的诱发病因。首先，作者利用了一系列NF1突变小鼠菌株，这些菌株含有不同的杂合NF1患者衍生的种系NF1基因突变。使用这种方法，作者鉴定了一个品系(Nf1+/C383X)，其OPC高密度与通过将新霉素盒插入Nf1基因外显子31 (Nf1+/neo)改造的Nf1杂合小鼠相似，而其他三个品系(Nf1+/R1809C, Nf1+/G848R和Nf1+/R1276P)没有表现出OPC高密度。在所有这些NF1模型小鼠品系中，与OPC高密度发展无关，RAS活性升高。其次，作者检测了PI3K-AKT信号，该信号在Nf1突变细胞中也异常。检测WT和Nf1突变小鼠脑裂解物中AKT活性水平，作者发现，相对于WT小鼠，AKT活性在形成OPC高密度的Nf1+/neo和Nf1+/C383X小鼠中增加了2倍以上，而在OPC高密度较少或很小的Nf1+/R1809C、Nf1+/G848R或Nf1+/R1276P小鼠中基本没有变化。一致地，在具有NF1突变的人诱导多能干细胞(iPS)中，只有具有NF1C383X突变的OPCs，而没有NF1R1809C突变的OPCs，相对于WT对照，表现出更高的AKT活性。第三，作者证明了使用NVP-BKM120在体内抑制PI3K/AKT可以减少Nf1+/neo小鼠大脑中OPC高密度影响区域。综上所述，这些数据表明，AKT的差异激活是Nf1突变小鼠OPC高密度发展的基础。

5. Nf1突变小鼠表现出少突胶质发育延迟

在观察到Nf1缺失导致经验依赖性少突胶质细胞发育缺陷后，作者接下来使用EdU谱系追踪研究了Nf1缺失是否会影响OPCs的基线少突胶质细胞发生。在1月龄和4月龄的Nf1OPC-iKO小鼠中，作者观察到相对于Nf1WT小鼠，OPC增殖增加，分化减少，4月龄小鼠的差异较小。接下来，作者研究了从Nf1OPC-iKO和Nf1WT幼鼠中分离的OPCs的少突胶质细胞谱系进展。使用标准的OPC分化实验，在体外，OPC中Nf1的缺失(单等位基因和双等位基因)减少了少突胶质细胞的形成。总的来说，在进行复杂轮试验中，在Nf1突变小鼠中没有观察到基线少突胶质细胞密度或髓鞘形成的总体缺陷。作者猜测在Nf1突变小鼠中，正常的髓鞘形成是在成年期实现的，而活性调节的少突胶质形成仍然受损。这些数据表明，在Nf1突变小鼠中观察到的在复杂轮测试后OPC增殖和分化的基线异常导致了OPC/少突细胞表型，而活性相关反应的失败意味着神经元活动不能克服这种少突胶质细胞发生缺陷。

6. OPCs的Nf1缺失导致运动学习缺陷

作者发现所有的Nf1OPC-Het小鼠表现出与Nf1WT小鼠相似的运动性能。由于Nf1OPC-Het小鼠的高密度OPC区域表现出经验依赖性少突胶质发育受损，作者将局灶性OPC高密度的大小和位置与小鼠运动表现相关联。带内OPC高密度的Nf1OPC - Het小鼠在复杂轮试验结束时表现出较低的跑步速度(跑步距离为6.5 km和7 km)。这一发现表明，皮层下运动投射的局灶性OPC高密度程度与运动学习呈负相关，表明经验依赖性少突胶质形成在这些局灶性OPC高密度中受损。

总结

在这项研究中，作者证明了杂合的Nf1突变体和Nf1缺失的OPCs对神经元活动缺乏适当的增殖反应，Nf1缺失的OPCs在经验诱导的少突胶质细胞形成中表现出损伤。在OPC特异性杂合Nf1突变小鼠的大脑中，作者发现局灶性OPC高密度，在这些高密度中的OPC表现出受损的经验诱导的少突胶质发生。此外，仅OPCs的Nf1缺失就足以导致运动学习缺陷。总的来说，作者的研究结果提供了神经遗传疾病中少突胶质可塑性和认知功能之间的机制联系，提出了与NF1和OPC功能相关的几个关键点。

https://doi.org/10.1038/s41593-024-01654-y

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