Nat Commun丨东南大学谢维等揭示腹侧海马星形胶质细胞调控突触可塑性与社交记忆

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社交互动和记忆对于建立有意义的关系和保持身体健康至关重要。社交记忆障碍是许多脑部疾病的关键症状，但其潜在机制仍不清楚。神经连接蛋白 （NLG） 是突触发育和功能所必需的细胞粘附分子家族，其功能障碍与神经发育和神经精神疾病有关，包括自闭症和精神分裂症。最近对啮齿动物的研究确定了海马体中的几个亚区域，包括背侧 CA2、腹侧 CA1 和背侧 DG，是社会识别记忆存储的关键位点。尽管 NLG 在神经元中得到了广泛的研究，但它们在神经胶质细胞中的作用知之甚少。

2024年10月5日，东南大学生命科学与技术学院谢维教授团队与加拿大多伦多大学神经科学系加正平教授团队在Nature Communications合作发表题为Astrocytic neuroligin 3 regulates social memory and synaptic plasticity through adenosine signaling in male mice的论文，该文章表明成年雄性小鼠腹侧海马体中星形胶质细胞NLG3缺失会损害社交记忆，减弱星形胶质细胞 Ca2+信号，增强 EAAT2 的表达并减弱LTP，这些损伤通过增加星形胶质细胞活性、降低 EAAT2 功能或增强腺苷/A2a 受体信号来挽救。本研究揭示了 NLG3 在星形胶质细胞功能、谷氨酸稳态和社会记忆中的重要作用，并确定了谷氨酸转运蛋白和腺苷信号通路是治疗脑部疾病的潜在治疗策略。

• 星形胶质细胞NLG3缺失会损害社交记忆

NLG3 不仅在神经元中表达，而且在星形胶质细胞中也表达. 星形胶质细胞 NLG3 对星形胶质细胞形态发生和突触发育很重要，但其是否参与成年的突触可塑性和记忆尚不清楚。作者通过NLG3f/f或 NLG3f/Y与hGFAP-CreERT2品系杂交特异敲除星形胶质细胞中NLG3。为了检测星形胶质细胞 NLG3 敲除的影响，作者分别在旷场实验与高架十字迷宫实验中检测小鼠焦虑样行为，在旷场测试中，GFAP-NLG3 KO 和 GFAP-NLG3 WT 小鼠在行进距离、移动速度或在中心与外围区域花费的相对时间方面没有差异，在高架加迷宫测试中，两种基因型也显示出相似的行进距离、移动速度以及在闭合臂与张开臂中花费的时间。这些结果表明，NLG3 的星形胶质细胞敲除不会影响运动活动或焦虑相关行为。在三箱社交测试中GFAP-NLG3 KO 和 GFAP-NLG3 WT 小鼠在第 1 阶段对左侧或右侧空笼没有偏好，以及第二阶段更偏好陌生小鼠S1而不是空笼，但在第 3 阶段的社会识别记忆测试中，GFAP-NLG3 KO 小鼠对 S1 或 S2 没有表现出显着的偏好,表明 NLG3 的星形胶质细胞缺失特异性地损害了社会识别记忆，但不会损害社交能力。

• 腹侧海马体中的星形胶质细胞 NLG3 是社交记忆所必需的

为了确定腹侧或背侧海马是否参与社交记忆，作者将 GFAP-EGFP-T2A-Cre 病毒注射限制在 NLG3 f/Y小鼠的腹侧或背侧海马。注射后 8 周的三箱社交试验显示，局限于腹侧海马星形胶质细胞 NLG3 缺失的小鼠社交记忆受损，而背侧海马体星形胶质细胞NLD3的缺失则不影响社交记忆。为了确认社交记忆缺陷是由于缺乏腹侧海马星形胶质细胞NLG3 造成的，作者通过工具病毒将WT NLG3 cDNA 重新引入 GFAP-NLG3 KO 小鼠腹侧海马体，表明NLG3 在 GFAP-NLG3 KO 小鼠中的再表达足以改善 GFAP-NLG3 KO 小鼠的社交记忆，而不会影响运动活动或焦虑样行为。这些数据表明，腹侧而非背侧海马星形胶质细胞 NLG3 对于社交记忆是必不可少的。

• 星形胶质细胞 NLG3 是星形胶质细胞活性依赖性激活所必需的

为了研究 NLG3 的星形胶质细胞缺失如何影响社会记忆，作者检查了海马体中星形胶质细胞的结构和功能特性，发现成年小鼠中的星形胶质细胞 NLG3 缺失对星形胶质细胞或突触形态没有显着影响。为了直接检查星形胶质细胞活性，作者通过对腹侧海马星形胶质细胞进行钙信号成像，结果显示hGFAP-CreERT2 对照切片显示高频刺激后Ca2+信号显著增加，而 GFAP-NLG3 KO 切片没有显示显着变化。为了确定星形胶质细胞活化是否在行为动物中也受损，作者对 Ca2+ 进行了体内纤维光度测定腹侧海马星形胶质细胞的瞬变。与陌生小鼠的社交互动（嗅探）引起 Ca2+ 信号显着增加，但在 GFAP-NLG3 KO 小鼠中没有。因此，NLG3 的星形胶质细胞缺失损害了体外切片和行为动物中 HFS 和学习诱导的星形胶质细胞活化。

• 增强星形胶质细胞活性可改善社交记忆

为了测试星形胶质细胞活性降低是否是星形胶质细胞 NLG3 缺失小鼠社交记忆受损的原因，作者通过化学遗传增加腹侧海马星形胶质细胞活性，与 mCherry 小鼠相比，表达 hM3D（Gq）-mCherry 的小鼠表现出显着更高的社交记忆指数，而不影响社交能力。

• 星形胶质细胞 NLG3 通过 EAAT2 调节其活性和社会记忆

为了研究 NLG3 如何调节星形胶质细胞活性，作者首先分析了已知在星形胶质细胞中表达并参与星形胶质细胞 Ca2+信号的受体和转运蛋白，结果表明EAAT2 的总蛋白和表面蛋白水平在 GFAP-NLG3 KO 小鼠中显著上调。NLG3 的星形胶质细胞缺失对 EAAT2 蛋白表达具有相当特异性的影响。同时作者分析了磷酸化 mTOR （p-mTOR），并表明与 WT 小鼠相比，GFAP-NLG3 KO 中 p-mTOR 的水平增加。表明 KO 星形胶质细胞中 mTOR 信号转导升高。这些数据表明，星形胶质细胞 NLG3 通过抑制 mTOR 依赖性翻译机制来调节 EAAT2 蛋白表达。

鉴于 EAAT2 在细胞外谷氨酸清除中的关键作用，特别是在强烈的神经元活动和突触可塑性期间，作者推断 EAAT2 表达升高可能导致谷氨酸稳态发生变化，随后星形胶质细胞活性受损。作者通过谷氨酸探针发现在 GFAP-NLG3 WT 小鼠中社交引起 iGluSnFR 信号的显着增加，但在 GFAP-NLG3 KO 动物中未引起。同时在脑片钙成像实验中，通过灌注10 μM 谷氨酸诱发星形胶质细胞 Ca2+响应。谷氨酸诱导可分别增加WT 和 GFAP-NLG3 KO 的星形胶质细胞中的钙信号。这些结果表明，细胞外谷氨酸缺乏是星形胶质细胞活化受损的原因。综上所述，这些结果表明，细胞外谷氨酸减少（可能是由于星形胶质细胞 EAAT2 的过度表达）是导致 GFAP-NLG3 KO 小鼠活动依赖性星形胶质细胞活化和社会记忆受损的原因。

• 星形胶质细胞NLG3缺失通过腺苷信号传导损害突触可塑性

GFAP-NLG3 KO 小鼠中星形胶质细胞活性受损如何影响社交记忆？海马长时程增强 （LTP） 是一种被广泛研究的持久突触可塑性形式，是记忆的关键机制。因此，作者在腹侧海马切片中进行了电生理记录，以检查突触功能是否因 NLG3 的星形胶质细胞缺失而改变。作者比较了 GFAP-NLG3 KO 和 WT 小鼠场兴奋性突触后电位 （fEPSP） 的 LTP。HFS在 WT 中诱导持续性 LTP，但该 HFS-LTP 在 GFAP-NLG3 KO 小鼠中被消除。结果表明，NLG3 的星形胶质细胞缺失选择性地损害 LTP而不影响基础突触功能。为了检查 LTP 缺陷是否由 EAAT2 的过度表达引起，作者用 50 nM TFB-TBOA 处理 GFAP-NLG3 KO 切片，发现 LTP 在这些小鼠中恢复。

• 增加腺苷信号传导可挽救社交记忆缺陷

星形胶质细胞中的Ca信号的减少是怎样导致 GFAP-NLG3 KO 小鼠的 LTP 受损？作者用腺苷或 D-丝氨酸处理海马切片，发现腺苷，但不是 D-丝氨酸恢复了 GFAP-NLG3 KO 切片中的 LTP。腺苷受体激动剂处理 GFAP-NLG3 KO 切片，发现 A2a 受体激动剂而不是 A1 受体激动剂挽救了 GFAP-NLG3 KO 切片中的 LTP 缺陷。由于腺苷可以直接从星形胶质细胞释放或从细胞外 ATP 转化而来，作者还测试了 ATP 治疗对 LTP 的影响，GFAP-NLG3 KO 切片中的 LTP 缺陷被 ATP 挽救，这些结果表明，星形胶质细胞 NLG3 通过释放星形胶质细胞 ATP/腺苷和随后激活 A2a 信号通路来调节 LTP。

为了研究腺苷信号转导在 GFAP-NLG3 KO 小鼠体内的作用，作者进行微透析来测量细胞外腺苷的水平。社交互动（10 分钟）增加了 WT 小鼠的腺苷水平，但 GFAP-NLG3 KO 小鼠没有。因此，GFAP-NLG3 KO 小鼠的社交记忆缺陷可能是由于腺苷信号受损。并且给GFAP-NLG3 KO 小鼠注射 A2a 受体激动剂后可以显著改善社交识别记忆。腹侧CA1区域局部注射A2a 受体拮抗剂后阻断了小鼠社交识别记忆。同时作者通过直接敲除腹侧海马神经元A2A受体进一步验证了神经元 A2a 受体是正常社交记忆所必需的。综上所述，由于 ATP/腺苷释放不足导致神经元 A2a 受体信号传导受损可能是社会记忆缺陷 GFAP-NLG3 KO 小鼠的基础。

总结

本研究解决了关于 NLG 和星形胶质细胞的两个未解决的问题。首先，尽管神经元中的 NLGs 在突触可塑性和记忆的调节方面得到了广泛的询问，但星形胶质细胞中的 NLG3 在这些过程中的作用令人惊讶地未知。其次，尽管星形胶质细胞越来越被认为是突触的活跃参与者并有助于多种形式的记忆，但它们参与社会记忆（许多脑部疾病的常见缺陷）仍然难以捉摸。因此，阐明 NLG3 在星形胶质细胞中的作用可能有助于更深入地了解社会记忆和脑部疾病中社交缺陷的潜在治疗。在这项研究中，提供了证据表明，腹侧海马体中的星形胶质细胞 NLG3 通过抑制 EAAT2 表达、ATP/腺苷的释放和随后对 LTP 的影响来调节社会识别记忆，揭示了 NLG 影响突触功能和行为的机制。

https://doi.org/10.1038/s41467-024-52974-3

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