Neuron：大脑细胞如何默契配合？神经元和星形胶质细胞“同舟共济”

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神经元和星形胶质细胞是大脑中主要的细胞类型，它们之间存在广泛的相互作用，但其相互作用的分子基础在很大程度上仍不清楚。

基于此，2025年6月11日，美国加利福尼亚大学Baljit S. Khakh研究团队在Neuron杂志发表了“The cell-surface shared proteome of astrocytes and neurons and the molecular foundations of their multicellular interactions”揭示了星形胶质细胞与神经元的细胞表面共有蛋白质组及其多细胞相互作用的分子基础。

作者鉴定并绘制了纹状体中星形胶质细胞和神经元的细胞表面蛋白（CSPs）图谱，发现其中许多蛋白是两者共有的，构成了连接纹状体星形胶质细胞与神经元相互作用位点的星形胶质细胞-神经元细胞表面共有蛋白质组（CS SPAN）。CS SPAN 中富含细胞外基质蛋白、细胞粘附分子、转运体、离子通道和G蛋白偶联受体等成分。通过追踪星形胶质细胞CSPs的细胞来源，识别出星形胶质细胞与多种实质细胞之间的相互作用。这些发现总体上与人类数据一致。在亨廷顿病（HD）小鼠模型中，病理生理变化及其由基因干预引起的缓解分别伴随着CS SPAN和CSPs的异常改变与恢复。CS SPAN中还包含在多种脑部疾病中失调的分子。本研究从分子层面揭示了星形胶质细胞与神经元之间的界面结构，为探索其生理功能及其在脑疾病中的作用提供了机制性基础。

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图一 用于蛋白质生物素标记的星形胶质细胞和神经元细胞表面HRP

本研究的目标是系统记录星形胶质细胞与神经元之间的细胞表面共有蛋白质组。为了鉴定细胞表面蛋白（CSPs），作者采用了基于邻近依赖的生物素标记技术，并利用在成年小鼠纹状体中体内表达的、由腺相关病毒（AAV）携带的细胞表面定位的辣根过氧化物酶（HRP）实现对特定细胞类型的标记。还比较了另一种常用的标记工具TurboID，但在HEK293细胞中测试后，选择了HRP进行细胞表面标记，因为它不需要额外添加ATP，且对细胞内蛋白的标记较少。用于HRP的生物素探针（BxxP）无法穿过细胞膜，因此更有利于标记细胞表面蛋白。作者构建了可在星形胶质细胞或神经元中表达细胞表面HRP的AAV病毒载体，并进行了验证、细胞表面蛋白的鉴定、定位分析，以及在亨廷顿病模型中这些蛋白及其动态变化的评估。纹状体参与多种疾病的发生，包括亨廷顿病，同时也是星形胶质细胞与神经元之间广泛接触的脑区。其中约95%的神经元是DARPP32阳性的中等棘神经元（MSNs）。在H₂O₂和不能透过细胞膜的BxxP存在的情况下，HRP可以生成反应性自由基，从而将附近的蛋白质标记上生物素。通过免疫组织化学染色和Western blot检测了生物素标记的效果。S100β和Sox9是星形胶质细胞的标志物，而NeuN和DARPP32则用于识别中等棘神经元。靶向星形胶质细胞的HRP（AstroHRP）主要表达于约90%的纹状体星形胶质细胞中，而在神经元中几乎不表达。靶向神经元的HRP（NeuroHRP）则在约95%的中等棘神经元中表达，未见于星形胶质细胞。HRP及其介导的生物素标记仅出现在大脑注射侧；蛋白标记依赖于HRP的表达以及0.03%H₂O₂的存在；标记的蛋白可以通过链霉亲和素磁珠富集。在表达细胞表面HRP的脑片中观察到了H₂O₂介导的生物素标记，但在将H₂O₂加入表达HRP的脑片裂解液中时并未出现标记信号，这表明不存在非特异性标记。

图二 纹状体星形胶质细胞和神经元的CSP谱型分析

在向纹状体星形胶质细胞和神经元中特异性表达细胞表面HRP的AAV注射约4周后，作者分离了纹状体组织，进行免疫组化检测并富集生物素标记的蛋白用于液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）分析。共使用三批小鼠，分别接受Astro HRP或Neuro HRP处理，并完成CSP标记与鉴定。通过比较HRP样本与对照样本中蛋白的标签自由定量（LFQ）强度值，并以倍数变化（FC）进行筛选，分别鉴定出688个星形胶质细胞CSPs和584个神经元CSPs。GO分析显示，这些蛋白主要定位于细胞膜、细胞外围、膜固有成分、细胞连接和突触，说明HRP有效地标记了细胞表面和胞外蛋白。将Astro HRP和Neuro HRP鉴定到的CSPs与此前利用Lck-BioID2技术标记细胞膜内侧的蛋白进行了比较。结果显示，Astro HRP主要检测到来自细胞表面和胞外空间的蛋白，而Astro Lck-BioID2则更多检测到膜内或邻近区域的蛋白，Neuro HRP与Neuro Lck-BioID2之间的比较也呈现类似趋势。这进一步验证了Astro HRP和Neuro HRP能够有效标记细胞表面及胞外蛋白，有助于揭示星形胶质细胞与神经元之间的相互作用。在鉴定出的688个星形胶质细胞CSPs和584个神经元CSPs中，有561个是两者共有的。考虑到星形胶质细胞与神经元之间紧密接触的特性，这种高度重叠可能表明Astro HRP不仅标记了星形胶质细胞表面蛋白，也标记了邻近神经元的蛋白，反之亦然。为了验证这种重叠是否反映细胞间相互作用而非非特异性标记，将HRP靶向至内皮细胞表面并鉴定其CSPs，结果显示仅有极少数与星形胶质细胞或神经元CSPs重叠，支持了标记方法的特异性。结果显示，约三分之二的共有蛋白来源于星形胶质细胞或神经元，其余为非富集蛋白。在CS SPAN中，检测到了多个已知的星形胶质细胞蛋白如Slc1a2和Bcan，以及神经元蛋白如Gpm6a和Slc17a7。此外，还发现了参与细胞粘附的GPCRs、神经连接蛋白、突触形成和清除相关蛋白，以及多种细胞外基质蛋白和粘附分子。来自少突胶质细胞的髓鞘蛋白Plp1也被检测到，这与纹状体中丰富的有髓纤维及其与星形胶质细胞和神经元的密切接触一致。在独有CSPs中，识别出了典型的星形胶质细胞蛋白如Dag1和S1pr1，以及神经元蛋白如Kcnh5。此外，突触蛋白Vamp2也在星形胶质细胞中被检测到，尽管其mRNA主要在神经元中表达，这可能反映了星形胶质细胞对突触的高度包裹状态或其蛋白水平与转录水平的不一致。总的来说，鉴定出大量星形胶质细胞与神经元共有的细胞表面蛋白，构建了CS SPAN图谱，揭示了这两类细胞在分子层面的直接互作网络。

图三 星形胶质细胞与神经元的CSPs及其与亨廷顿病、多细胞相互作用及中枢神经系统疾病的关系

在亨廷顿病相关数据分析中，作者将从星形胶质细胞和神经元中分别鉴定出的58个和142个细胞表面差异表达蛋白（CS DEPs）与近期发表的人类单核RNA测序的HD数据进行了比较。在从星形胶质细胞中检测到的58个CS DEPs中，有21个（36%）在snRNA-seq数据中也表现出类似的改变，并主要映射到星形胶质细胞和神经元；其中19个在N-ZFP干预后得到恢复。而在从神经元中检测到的142个CS DEPs中，有78个（55%）在snRNA-seq数据中一致下调，主要映射到神经元，并且大多数也能通过N-ZFP恢复。综上所述，对HD模型小鼠中星形胶质细胞和神经元的CSPs分析揭示了显著的疾病相关变化，这些变化可以被定位、被N-ZFP逆转，并得到了验证。作者揭示了在星形胶质细胞与神经元与其他实质细胞相互作用位点中排名前两位的两种CSP蛋白。此外，作者评估了CSSPAN以及CSPs与已知人类基底节疾病相关基因之间的重叠情况。结果显示，在多种神经系统疾病中，由疾病相关基因编码的蛋白质大多属于CSPs，尤其是来自CS SPAN。数据显示，约20%具有已知人类疾病关联的CSPs属于CS SPAN。还进一步分析了CS SPAN与精神分裂症和衰老脑组织中鉴定出的“突触神经元与星形胶质细胞程序”（SNAP）基因之间的重叠，以及与帕金森病（PD）死后snRNA-seq数据中改变的神经元和星形胶质细胞基因的关系。结果发现，多个核心的SNAP和PD相关基因也存在于CS SPAN中。最后，CS SPAN中还包括了一些已被鉴定为在小鼠学习相关星形胶质细胞（LAAs）中表达的基因。作者的研究结果表明，CS SPAN介导了与化学突触传递、细胞粘附、神经递质转运以及突触组装调控相关的蛋白质机制和通路，可能在人类疾病和大脑可塑性中发挥重要作用。

总结

作者发现，从星形胶质细胞和神经元中检测到的CSPs不仅包括多个已知功能的蛋白质，也包含许多功能尚未明确的蛋白。这一发现与以往对星形胶质细胞和神经元进行蛋白质组研究的结果一致，说明蛋白表达与基因表达之间并非简单的线性关系。尤其对于膜蛋白而言，这意味着仅依赖RNA测序可能遗漏了一些重要的信号传导介质。从这一角度出发，蛋白质组数据鉴定出在CS SPAN中星形胶质细胞与神经元细胞表面共享的蛋白，揭示了这些蛋白所参与的主要功能类别，包括细胞外基质、化学突触传递、细胞粘附、神经递质转运以及突触组装的调控。综上所述，这些鉴定出的蛋白应被进一步研究以探索与星形胶质细胞-神经元相互作用相关的蛋白质机制的分子基础及其功能意义。

文章来源

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2025.05.019