Nat Neurosci丨星形胶质细胞通过神经周围网维持三方突触稳态

神经周围网（PNN）是细胞外基质的特殊结构，围绕中枢神经系统中某些神经元的胞体和近端树突，特别是表达小清蛋白的中间神经元。最近的工作揭示了PNN在控制CNS中的可塑性方面的重要性，缺失PNN会影响多种CNS病变后的功能恢复。星形胶质细胞在谷氨酸能突触中扮演着非常重要的角色，突触前及突触后神经末梢和突触周围的星形胶质细胞末端突起(PAP)组成“三方突触”结构。这种三方突触中的星形细胞突起以去除与突触活动相关的神经递质和离子，特别是确保谷氨酸 (Glu) 不会从突触中溢出并激活突触外受体，从而导致兴奋性毒性。然而，PNN 是否与三方突触的星形胶质细胞在结构和功能上相互作用尚未得到研究。

在此背景下，2024年7月17日，美国弗吉尼亚大学医学院神经科学系Harald Sontheimer教授团队在Nature neuroscience杂志上发表名为“Astrocytes require perineuronal nets to maintain synaptic homeostasis in mice”的文章阐述星形胶质细胞需要神经周围网来维持小鼠的突触稳态。

首先，作者使用Aldh1l1-eGFP 小鼠，在体感皮层 (SSC) 3-4 层 (L3-4)用WFA 标记PNN，对 PNN 孔中的星形胶质细胞突起进行可视化。共聚焦图像显示大多数星形细胞突起终止于 PNN 孔内，只有少数终止于 PNN 的远端。并且PNN的强度分布显示星形胶质细胞 AldheGFP在PNN 孔中出现峰值，表明星形胶质细胞突起几乎全部占据 PNN 孔。接着作者免疫组化发现Kir4.1、GLT1和GABA转运蛋白GAT1和GAT3以及星形胶质细胞AldheGFP在 PNN 孔中均有表达，而Aqp4、Cnx43 和 Cnx30 等丰富的星形胶质细胞蛋白在 PNN 孔中几乎检测不到。这些数据表明，PNN 孔中的星形胶质细胞突起选择性表达支持突触释放离子和递质清除的蛋白质。

图1 成年小鼠 PNN 孔中的星形胶质细胞突起表达稳态蛋白

接着，作者分析了PNN 孔中突触共定位的星形胶质细胞突起与Glu 和 GABA 转运蛋白共表达的情况。结果显示，大约 47%的孔含有 vGlut1 末端和表达 GLT1 的星形胶质细胞突起，大约 35% 的孔含有 vGAT 末端和表达 GAT3 的星形胶质细胞突起。IHC 数据表明，vGlut1 和 vGAT 末端在 37% 的孔中共表达，64% 包含星形胶质细胞突起。将谷氨酸能和 GABA 能突触标记与星形胶质细胞相结合，PNN 孔的总体占用率约 95%，这表明几乎所有 PNN 孔都被突触和星形胶质细胞突起所占据。总的来说，PNN 孔同时含有兴奋性和抑制性突触，其中大部分都伴有表达 Glu 和 GABA 转运蛋白的星形胶质细胞突起，这表明 PNN 孔容纳了三方突触的结构和功能类似物。

图2 PNN孔容纳三方突触

接下来作者继续通过荧光标记探究PNN 表达和非表达神经元的细胞周星形胶质细胞覆盖度。结果显示，在细胞体的 0.8 µm 周长内，表达PNN的神经元的星形胶质细胞覆盖率明显低于缺乏PNN的神经元。此外，缺乏 PNN 的 PV 神经元的星形细胞覆盖率明显高于表达 PNN 的 PV 神经元，因此可将PV神经元周围较低的细胞周星形胶质细胞覆盖率归因于PNN，因为 PNN 限制星形胶质细胞进入 PNN 内的孔。另外，敲除Acan 基因阻止发育期的 PNN 沉积会显著增加小鼠皮质 PV 神经元周围星形胶质细胞突起的总覆盖率和细胞周覆盖率。这些数据表明，发育期间的 PNN 沉积限制了突触的细胞周密度和星形胶质细胞占据的面积。

图3 PNN 破坏增加了细胞周星形胶质细胞的覆盖范围

对PNN在精神疾病中的功能进行探究，这里使用阿尔茨海默病的 5xFAD 模型和癫痫的泰勒鼠脑脊髓炎病毒 (TMEV) 模型。雄性和雌性 5xFAD+ 小鼠在 12 月龄时体感皮层中 PNN 广泛降解， PV神经元的细胞周星形胶质细胞覆盖更高。注射 TMEV 的小鼠中，在可变的癫痫发生期后出现慢性自发性癫痫发作，也显示出体感皮层 PNN 的广泛降解和PV 神经元细胞周星形胶质细胞突起的覆盖率增加。这些数据表明，中枢神经系统病理学中的 PNN 破坏也与星形胶质细胞覆盖范围的扩大有关。

图4 阿尔茨海默氏病 (5xFAD) 和癫痫 (TMEV) 小鼠模型中 PNN 破坏和星形胶质细胞覆盖率增加

此外，这篇文章还观察到PNN 具有以前未报道的功能，即创建一个屏障，限制 Glu 和 K+从突触间隙扩散，从而与星形胶质细胞协同作用，有效地重新摄取神经元释放的离子和递质。因此，PNN 是三方突触的重要结构和功能贡献者。综上所述，PNN 和星形胶质细胞在生理条件下合作抑制突触释放的信号。在 PNN 被破坏的阿尔茨海默病和癫痫小鼠模型中，它们的联合作用发生了改变。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41593-024-01714-3

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