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    徐敏組發現星形膠質細胞調控睡眠的新機制

    發布時間:2023-02-08

      2023年2月7日,《Cell Discovery》期刊在線發表題為《Adenosine-Independent Regulation of the Sleep-Wake Cycle by Astrocyte Activity》的研究論文,該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)徐敏研究組和上海交通大學醫學院張思宇研究組合作完成。該研究采用光纖記錄、化學遺傳、基因敲除和腦片電生理等技術,結合新型腺苷、ATP熒光探針,發現基底前腦星形膠質細胞可雙向調控睡眠-覺醒行為,且該過程不依賴于胞外腺苷信號。該研究為理解星形膠質細胞在睡眠-覺醒中的作用及機制提供了新的線索。 

      以往研究表明,星形膠質細胞通過腺苷途徑調控睡眠-覺醒行為。這些研究主要通過在星形膠質細胞中表達dnSNARE抑制其胞吐作用,并結合藥理學手段拮抗腺苷受體,間接探究了星形膠質細胞來源的腺苷對睡眠-覺醒行為的調控作用。然而,介導dnSNARE在星形膠質細胞中表達GFAP啟動子導致外源基因在神經元中異位表達。其次,神經元和星形膠質細胞均可調控胞外腺苷濃度,而二者之間的相對貢獻并不清楚。此外,最新研究發現睡眠-覺醒行為關鍵調控腦區--基底前腦(basal forebrain,BF)的神經元是胞外腺苷的重要來源。綜上所述,系列研究提示星形膠質細胞是胞外腺苷重要來源這一經典觀點可能并不準確,星形膠質細胞極有可能不是通過腺苷途徑調控睡眠-覺醒行為。

      為探究BF星形膠質細胞調控睡眠-覺醒行為的機制,研究人員首先建立了可在BF介導星形膠質細胞特異基因表達的方法。通過系統性的測試,研究人員發現既往研究采用的多種轉基因小鼠或病毒策略均在BF腦區導致嚴重神經元漏表達,原本設計為靶向星形膠質細胞的基因卻表達在神經元中,而AAV5+GfaABC1D啟動子可在BF介導星形膠質細胞高度特異的基因表達。

      為揭示BF星形膠質細胞對睡眠-覺醒周期的調控作用,研究人員通過光纖記錄測量了BF星形膠質細胞在睡眠-覺醒周期中的活動模式,發現BF星形膠質細胞在覺醒期非?;钴S,提示其可能參與覺醒維持。研究人員接下來采用化學遺傳和條件性敲除IP3R2受體兩種方法,分別激活和抑制BF星形膠質細胞的鈣活動,并記錄分析小鼠睡眠-覺醒行為的變化情況。實驗發現,激活BF星形膠質細胞導致小鼠NREM睡眠碎片化,REM睡眠時長減少,表明小鼠睡眠質量下降,整體覺醒水平增加;而抑制BF星形膠質細胞則顯著降低小鼠的覺醒水平。以上結果表明,BF星形膠質細胞可雙向調節睡眠-覺醒行為。

      在確定BF星形膠質細胞對睡眠-覺醒行為的調控作用之后,研究人員開始探究腺苷信號是否在該過程中發揮重要作用。既往研究認為,星形膠質細胞通過分泌ATP,之后ATP通過一系列胞外酶降解為腺苷。因此,研究人員采用北京大學李毓龍教授團隊開發的腺苷和ATP探針,測量了胞外腺苷、ATP和星形膠質細胞鈣活動之間的相關性。實驗發現,星形膠質細胞鈣活動與胞外腺苷及ATP信號高度相關,星形膠質細胞鈣活動與ATP信號在時程具有一致性,且均提前于腺苷信號。這一結果提示星形膠質細胞可能通過釋放ATP驅動了胞外腺苷濃度上升。

      為驗證星形膠質細胞鈣活動是否可驅動胞外腺苷水平上升,研究人員采用光遺傳方法激活星形膠質細胞,然而并沒有發現胞外腺苷水平顯著上升。其次,敲除介導ATP向腺苷轉化的關鍵酶--CD73也未能影響胞外腺苷水平。以上實驗提示BF星形膠質細胞可能不是胞外腺苷的重要來源。

      另一方面,光遺傳激活星形膠質細胞所引起的鈣活動可能與生理鈣信號存在一定差異,并且ATP也可能通過CD73以外的酶被轉化為腺苷。因此,研究人員進一步采用條件敲除IP3R2受體的方法直接抑制BF星形膠質細胞鈣活動,以觀察其對胞外腺苷濃度的影響。研究發現,抑制星形膠質細胞鈣活動只影響胞外ATP水平,并不影響胞外腺苷濃度。該實驗表明,星形膠質細胞極有可能不是胞外腺苷濃度上升的重要因素,進一步提示星形膠質細胞可能通過非腺苷依賴的途徑調控了睡眠-覺醒行為。

      此外,研究人員進一步探究了BF星形膠質細胞活動與神經元活動之間的相互影響,發現星形膠質細胞活動主要由BF腦區內的神經活動引起,并且化學遺傳激活星形膠質細胞可改變持續性抑制(tonic GABA current)和BF腦區的突觸傳遞。最后,研究人員也初步探索了BF腦區之外的星形膠質細胞影響睡眠-覺醒周期的機制。

      星形膠質細胞對睡眠-覺醒周期的調控

      星形膠質細胞可通過多種機制調控睡眠-覺醒行為,其中腺苷信號被認為發揮了重要作用。然而既往研究采用非特異的GFAP-Cre小鼠,導致我們無法區分實驗結果是星形膠質細胞還是神經元活動改變所造成。當前研究采用病毒介導的高度特異表達體系,結合最新開發的腺苷和ATP熒光探針以及多種轉基因小鼠,探究了BF腦區星形膠質細胞調控睡眠-覺醒行為的機制,發現星形膠質細胞并不是胞外腺苷的重要來源,提示“星形膠質細胞通過非腺苷途徑調控了睡眠-覺醒行為”。

      值得一提的是,該工作是徐敏研究員在基底前腦調控睡眠-覺醒機制方面的第四項工作。這些工作系統地揭示了基底前腦不同種類的神經元和膠質細胞在睡眠-覺醒周期中的作用。

      該研究在中科院腦智卓越中心徐敏研究員和上海交通大學醫學院張思宇研究員指導下,由腦智卓越中心博士后彭婉玲博士、劉曉彤博士和上海交通大學醫學院馬國芬博士共同完成。上海交通大學醫學院博士生王紫玥、王麗昭, 腦智卓越中心博士生費翔、研究助理秦梅玲,北京大學李毓龍教授和武照伐博士也做出了重要貢獻。該工作獲得中科院、科技部、基金委和上海市等項目資助。

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