星形胶质细胞分泌的神经节聚糖控制抑制性突触的形成和功能
星形胶质细胞分泌的Neurocan控制抑制性突触形成和功能
近年来，大脑中神经元与神经胶质细胞互动在突触形成和功能维持中的作用成为了神经科学研究的热点。本文由杜克大学医学中心的Dolores Irala等人发表在2024年5月的《Neuron》期刊上，揭示了神经胶质细胞如何通过分泌Neurocan C-末端片段控制特定类型的抑制性GABAergic突触的形成和功能。
背景
在哺乳动物大脑皮质中，80%的神经元是谷氨酸能（兴奋性）锥体神经元，20%是γ-氨基丁酸能（抑制性）中间神经元。中间神经元根据其形态学、转录组学和电生理特性可分为三大类：生长抑素（SST）、蛋白质酸缓冲剂（PV）和5-羟色胺受体3A（HTR3A）。尽管神经胶质细胞在突触形成中起重要作用，之前的研究已鉴定出多种神经胶质细胞分泌的促进兴奋性突触形成的蛋白质，如血小板反应蛋白（Thrombospondins）、SPARCL1/Hevin、糖蛋白等。然而，控制抑制性突触形成的神经胶质细胞分泌信号还未明晰。
研究过程
为了探究控制抑制性突触形成的神经胶质细胞分泌蛋白质，作者们开发了一种不含神经胶质细胞的皮质神经元培养系统，包括来自新生大鼠皮层的兴奋性和抑制性神经元。利用免疫吸附法分离L1CAM阳性神经元并在体外培养，使这些神经元形成广泛的神经突起。通过处理含神经胶质细胞培养基（ACM）或重组蛋白，在体外培养8天和11天的神经元，以确定其突触生成效果。
神经元培养物含有少于2%的胶质酸性纤维蛋白（GFAP）阳性神经胶质细胞，78%的兴奋性神经元及20%的抑制性神经元。利用共聚焦显微镜和图像分析，作者发现ACM显著诱导抑制性突触的形成，而不改变各自突触标志物（Bassoon和Gephyrin）数量。此外，通过候选蛋白质筛选，作者鉴定出Neurocan（NCAN）为一种显著诱导抑制性突触形成的神经胶质细胞分泌蛋白。
研究结果
以下为研究的几大关键发现：
NCAN片段定位和突触形成： 通过西方印迹和免疫荧光染色，确定Neurocan在新生小鼠发育中的表达模式和切割片段位置。发现NCAN的C-末端片段定位于突触处，控制小鼠皮层抑制性突触形成和功能。
NCAN缺失对突触形成的影响： 使用NCAN基因敲除小鼠模型（删除第3和第4外显子），发现其抑制性突触数量和功能显著减少，但不影响兴奋性突触密度或功能。利用透射电镜进一步确认，NCAN敲除小鼠在ACC区域抑制性突触密度减半，同时对神经元存活率、体重和大脑密度无显著影响。
NTER和CTER片段对抑制性突触的影响： 通过体外培养实验，发现NCAN的C-末端（CTER）片段显著促进抑制性突触形成，而N-末端（NTER）片段则无明显作用。在NCAN敲除小鼠的ACM中，添加CTER片段能够完全救助抑制性突触数量的下降。
NCAN与特定突触蛋白的相互作用： 通过超分辨显微镜和活体近距离标记法，发现NCAN-ELS片段特异性结合并调控含生长抑素（SST）阳性突触形成，而对蛋白质酸缓冲剂（PV）阳性突触无显著作用。
功能性研究： 通过电生理实验，记录小鼠ACC区域L2-3层锥体神经元的微小抑制性突触后电流（mIPSC），发现NCAN敲除小鼠mIPSC频率显著降低，表明其对抑制性突触功能的调控作用同时主要影响SST阳性突触。
结论和实际意义
本文确定了神经胶质细胞分泌的Neurocan C-末端片段作为新型抑制性突触生成的关键调控蛋白，揭示了其在哺乳动物大脑中，尤其是在哺乳动物大脑皮层特定类型抑制性突触形成中的作用。这一发现不仅提供了神经发育和神经网络稳定性的新见解，也为治疗干预神经疾病或大脑损伤提供了潜在的新目标。
此外，本研究还发现，NCAN片段的特定调控作用可能涉及不同的神经元细胞类型和特定突触的形成与功能，这为未来研究神经胶质细胞与神经元之间更为复杂和精细的互动机制打下基础。