劉 潔,王文元,
1.中國科學院生物與化學交叉研究中心,中國科學院上海有機化學研究所,上海 201206 2.復旦大學附屬華山醫(yī)院,上海 200040
1856年,Rudolf Virchow第一次提出神經(jīng)膠質(zhì)(neuroglia)的概念,認為膠質(zhì)細胞是一種填充“未被神經(jīng)元占據(jù)的空間”的元素,其作用僅僅是將分散于大腦中的神經(jīng)元連接起來[1]。
根據(jù)相似的結構,最早在扁形蟲(flatworm)中就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)類似的神經(jīng)膠質(zhì)細胞[2],而在秀麗隱桿線蟲中最早發(fā)現(xiàn)了功能相似的膠質(zhì)細胞。已知秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)系統(tǒng)由302個神經(jīng)元和50個外胚層來源的支持細胞(supportive cell)組成,這些支持細胞中的大多數(shù)與神經(jīng)元末端一起構成線蟲的感覺器官,其中有4個細胞類似于高等動物中的膠質(zhì)細胞,定位于線蟲頭部,并且會包裹住位于頭部的神經(jīng)元,維持神經(jīng)元周圍的離子平衡,同時調(diào)節(jié)神經(jīng)元發(fā)育[3]。
果蠅的神經(jīng)系統(tǒng)約含10%的膠質(zhì)細胞,除與神經(jīng)元相互作用以外,還維持著神經(jīng)系統(tǒng)的結構,在這些膠質(zhì)細胞中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白(excitatory amino acid transporter)dEAAT1和dEAAT2以及谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase)的表達,使這些細胞具有負責神經(jīng)元與膠質(zhì)細胞之間谷氨酰胺轉(zhuǎn)運這一更高等的功能[4-5]。同時,果蠅中的subprineural glia能夠與果蠅的血淋巴(hemolymph)形成血淋巴-腦屏障結構,以調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)和身體其余部分的物質(zhì)交換,這是最早出現(xiàn)的類似血腦屏障的結構[6-7]。
在脊椎動物的神經(jīng)系統(tǒng)中,膠質(zhì)細胞所占比例進一步提高,在小鼠和兔子中約占30%,在獼猴中占30%~50%,在人類中約占60%[8]。目前已知,膠質(zhì)細胞主要由神經(jīng)來源的星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞、NG2膠質(zhì)細胞以及所有周圍神經(jīng)膠質(zhì)細胞和非神經(jīng)來源的小膠質(zhì)細胞組成。在不同的物種中,這些細胞所占的比例不同。2008年,一項研究對17只獼猴視覺皮質(zhì)中的膠質(zhì)細胞進行了分類和統(tǒng)計,結果顯示在所有的膠質(zhì)細胞中,星形膠質(zhì)細胞約占40%,少突膠質(zhì)細胞約占53%,而小膠質(zhì)細胞僅占7%左右[9]。
在很長一段時間內(nèi),星形膠質(zhì)細胞都被認為是一種為神經(jīng)元提供營養(yǎng)物質(zhì)以及為神經(jīng)系統(tǒng)結構提供支撐的輔助細胞。確實,整個大腦的結構都與星形膠質(zhì)細胞緊密相關。例如,有研究發(fā)現(xiàn),灰質(zhì)中每一個星形膠質(zhì)細胞都占據(jù)其自身的區(qū)域,并覆蓋其區(qū)域內(nèi)的所有神經(jīng)元[10-11],而這種特定結構的喪失可能與多種形式的腦疾病有關[12]。同時,自從Camillo Golgi最初觀察到星形膠質(zhì)細胞與腦血管密切相關的現(xiàn)象以來,直至今日,“星形膠質(zhì)細胞是血腦屏障結構必不可少的部分”這一概念,也受到廣泛的認可[13-14]。
除了這些被動的結構性功能,近二三十年的研究也逐漸揭示了星形膠質(zhì)細胞在突觸的新生、成熟和修剪以及在神經(jīng)炎癥調(diào)節(jié)中的作用,其在各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生和發(fā)展過程中也扮演著一定的角色。因此,星形膠質(zhì)細胞的研究正受到越來越多的重視。
2.1.1 K+通道
星形膠質(zhì)細胞是非電興奮性細胞,其靜息膜電位(Vm)約為-80 mV,而K+通道在調(diào)節(jié)該靜息膜電位方面起著重要作用[15]。星形膠質(zhì)細胞中有多種K+通道的表達,如內(nèi)向整流(inward rectifier)K+通道(Kir4.1等)、電壓門控K+通道(Kv1.1等)、電壓門控K+通道(TREK1/K2P2.1等)和鈣依賴性K+通道(KCa3.1)[2]。這些K+通道除了在維持細胞內(nèi)K+平衡以及細胞靜息膜電位等方面具有功能以外,還能調(diào)節(jié)細胞體積,促進星形膠質(zhì)細胞對突觸間隙中谷氨酸的吸收,以避免興奮性神經(jīng)毒性的發(fā)生[16]。同時,有研究表明K+通道活性的增加與神經(jīng)膠質(zhì)細胞的成熟過程密切相關[15]。
2.1.2 Na+通道
電壓門控Na+通道(Nav)是電興奮性細胞(如神經(jīng)元和肌肉細胞)中動作電位生成所必需的,該通道的激活會引起細胞膜去極化,產(chǎn)生瞬時鈉電流,進而引起神經(jīng)元中動作電位的產(chǎn)生。盡管是非電興奮性細胞,星形膠質(zhì)細胞中也有電壓門控Na+通道(Nav)的表達,這些通道與星形膠質(zhì)細胞的吞噬作用、遷移、增殖、Na+穩(wěn)態(tài)調(diào)控以及趨化因子或細胞因子的分泌等生理過程密切相關[17]。與此同時,星形膠質(zhì)細胞還表達[Na+]o調(diào)節(jié)Na+通道(Nax,活性受細胞外Na+濃度的調(diào)控)以及上皮鈉通道,這些離子通道是細胞環(huán)境中的Na+感受器,對于Na+穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)至關重要[2]。
2.1.3 其他離子通道
除了K+通道和Na+通道以外,星形膠質(zhì)細胞還表達Ca2+、Cl-和H+通道,這些通道在細胞內(nèi)外Ca2+和Cl-濃度以及細胞間隙pH值的調(diào)節(jié)中具有重要作用,共同維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)的離子平衡。
星形膠質(zhì)細胞的樹突在結構上與神經(jīng)元突觸前和突觸后作用緊密,形成所謂的“三突觸結構”[18],可影響長期以來被定義為是神經(jīng)元內(nèi)在性質(zhì)的突觸功能。
2001年,ULLIAN等[19]首先證實星形膠質(zhì)細胞可以促進視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞突觸的新生,此后的一系列研究鑒定出了多個由星形膠質(zhì)細胞分泌的可以促進突觸新生的因子,如膽固醇[20]、thrombospondin[21]、Hevin[22]以及glypican-4和glypican-6[23]等。除了促進突觸新生以外,2018年BLANCO-SUAREZ等[24]的研究發(fā)現(xiàn),星形膠質(zhì)細胞分泌的Chordin-like 1蛋白通過調(diào)節(jié)神經(jīng)元表面GluA1 AMPA受體向GluA2 AMPA受體的轉(zhuǎn)化,促進新生突觸的成熟。除了參與突觸形成以外,2013年CHUNG等[25]的研究結果表明,星形膠質(zhì)細胞可以通過MEGF10和MERTK信號通路介導突觸修剪。
突觸間的信號轉(zhuǎn)導是整個神經(jīng)環(huán)路得以正常運轉(zhuǎn)的基礎,而星形膠質(zhì)細胞在突觸的形成和成熟過程中發(fā)揮著非常重要的作用,一旦其功能發(fā)生紊亂,必然會引起神經(jīng)系統(tǒng)功能的異常。
星形膠質(zhì)細胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中先天性和適應性免疫應答反應的重要調(diào)節(jié)因子,根據(jù)炎癥反應的時間和程度,星形膠質(zhì)細胞的免疫應答既有可能促進免疫抑制和組織修復,也有可能加劇炎癥反應,導致組織損傷。例如,gp130受體是白細胞介素6細胞因子家族的重要信號轉(zhuǎn)導因子。有研究發(fā)現(xiàn),相較于正常小鼠,條件性敲除星形膠質(zhì)細胞中的gp130受體制造的實驗性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)模型小鼠的癥狀會有所加重[26],說明星形膠質(zhì)細胞中gp130受體介導的炎癥反應對神經(jīng)系統(tǒng)具有保護作用。除此之外,星形膠質(zhì)細胞中的雌激素受體α[27]和轉(zhuǎn)化生長因子β[28]介導的信號通路同樣具有神經(jīng)保護作用。與之相對,LacCer是一種能夠誘導炎癥反應和星形膠質(zhì)細胞增殖的脂質(zhì)小分子,它主要由B4GALT5和B4GALT6這2種酶合成。EAE模型的星形膠質(zhì)細胞中,這2種酶的表達均顯著升高。有研究發(fā)現(xiàn),條件性敲低小鼠星形膠質(zhì)細胞中B4GALT6基因表達,能夠在一定程度上緩解炎癥癥狀,說明LacCer介導的炎癥反應會對神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生毒性作用[29]。
已知在大多數(shù)神經(jīng)退行性疾病中,都伴隨著神經(jīng)炎癥的發(fā)生,而星形膠質(zhì)細胞在這一過程中扮演著十分重要的角色。因此,研究星形膠質(zhì)細胞在炎癥狀況下是如何響應的,對于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療和預防具有指導意義。
除了單獨發(fā)揮功能以外,星形膠質(zhì)細胞還能夠與腦血管相互作用,形成血腦屏障結構。借助此結構,星形膠質(zhì)細胞一方面能夠從血管中吸收氧氣以及葡萄糖等營養(yǎng)物質(zhì)為整個大腦供能,同時將大腦中的代謝廢物排泄至血管中,另一方面又能通過分泌一些血管因子來調(diào)節(jié)腦血管的血流速度[30-31]。
3.1.1 亞歷山大?。ˋlexander's disease)
亞歷山大病是一種罕見且普遍致命的神經(jīng)發(fā)育性疾病,發(fā)病率約為1/270萬[32],其病理學特征為星形膠質(zhì)細胞胞質(zhì)和突觸中有大量Rosenthal纖維的異常聚集。2001年,BRENNER等[33]發(fā)現(xiàn)亞歷山大病患者幾乎都有膠質(zhì)細胞原纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)基因突變。由于GFAP是星形膠質(zhì)細胞特異表達蛋白,而目前未發(fā)現(xiàn)亞歷山大病存在其他相關突變基因[34],因此這是唯一已知的僅僅由星形膠質(zhì)細胞異常所引起的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。
目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了133個疾病相關GFAP基因的點突變位點,也有少量插入突變和缺失突變的報道。人源GFAP全長432個氨基酸,突變位點覆蓋第18~432個氨基酸位點(www2.waisman.wisc.edu/alexander-disease/mutationtable.pdf)。然而,雖然亞歷山大病的致病基因十分單一,但具體的致病機制尚不清楚,仍需要進一步探究。
3.1.2 雷特綜合征(Rett syndrome)
雷特綜合征是一種X染色體連鎖的神經(jīng)發(fā)育性疾病,由轉(zhuǎn)錄抑制因子甲基化CpG結合蛋白2(methyl-CpG-binding protein 2,MeCP2)基 因突變引起。由于MeCP2主要在神經(jīng)元中高表達,因此早期的研究主要集中在神經(jīng)元上。有研究發(fā)現(xiàn),給MeCP2基因敲除小鼠神經(jīng)元回補MeCP2可以恢復一部分由MeCP2缺失所引起的細胞和行為學表型[35]。2009年,BALLAS等[36]發(fā)現(xiàn)健康的神經(jīng)元無論是直接與MeCP2基因突變小鼠的星形膠質(zhì)細胞共培養(yǎng),還是與其條件培養(yǎng)基共培養(yǎng),都能觀察到發(fā)育不良的樹突,表明攜帶MeCP2基因突變的星形膠質(zhì)細胞會影響正常神經(jīng)元的發(fā)育。2011年,LIOY等[37]發(fā)現(xiàn),僅僅在MeCP2基因敲除小鼠的星形膠質(zhì)細胞中條件性恢復MeCP2的表達,就能夠在一定程度上緩解雷特綜合征的癥狀。2014年,WILLIAMS等[38]發(fā)現(xiàn),雷特綜合征患者來源的誘導多能干細胞誘導得到的星形膠質(zhì)細胞會對健康神經(jīng)元的形態(tài)和電生理特征產(chǎn)生影響。
3.1.3 脆性X染色體綜合征(fragile X syndrome)
脆性X染色體綜合征是遺傳性智力低下最常見的病因,該疾病由FMR1基因突變引起。2010年,JACOBS等[39]的研究發(fā)現(xiàn),將神經(jīng)元與FMR1基因敲除的星形膠質(zhì)細胞共培養(yǎng)時,可表現(xiàn)出神經(jīng)突發(fā)育異常表型;將FMR1基因敲除的神經(jīng)元與野生型星形膠質(zhì)細胞共培養(yǎng)時,能夠在一定程度上緩解突變神經(jīng)元的發(fā)育異常。2016年,SOURIAL等[40]的研究表明,將神經(jīng)前體細胞與FMR1基因敲除的星形膠質(zhì)細胞的條件培養(yǎng)基共培養(yǎng)時,其增殖會受到影響。
3.2.1 阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease,AD)
據(jù)統(tǒng)計,全世界50%~70%的癡呆由AD引起[41]。大腦中Aβ和磷酸化Tau的異常聚集被認為是AD的病理標志之一。早在幾十年前,Alios Alzheimer就發(fā)現(xiàn)在Aβ斑塊周圍有大量活化的星形膠質(zhì)細胞[42]。在生理條件下,星形膠質(zhì)細胞能夠清除異常分泌至細胞外的Aβ;然而在病理條件下,活化的星形膠質(zhì)細胞會分泌細胞因子、炎癥因子、一氧化氮和活性氧等物質(zhì),導致大腦中氧化還原狀態(tài)失衡,引起神經(jīng)元死亡,從而進一步導致AD病程的惡化[43],但對其轉(zhuǎn)變機制尚不清楚。
2015年,ORR等[44]研究發(fā)現(xiàn),AD患者隨著病情的惡化,其星形膠質(zhì)細胞表面的一種G蛋白偶聯(lián)腺苷酸受體A2A的表達水平呈上升趨勢。如果將AD模型小鼠星形膠質(zhì)細胞中的A2A受體條件性敲除,可以顯著增強AD小鼠的記憶力。JONES等[45]將AD患者和健康人的誘導多能干細胞誘導成為星形膠質(zhì)細胞,經(jīng)對比發(fā)現(xiàn),AD患者來源的誘導星形膠質(zhì)細胞形態(tài)的復雜程度明顯降低,總體呈萎縮趨勢,且伴隨著星形膠質(zhì)細胞關鍵功能性標記蛋白S100B的定位異常。
載脂蛋白E(apolipoprotein E,APOE)基因是AD主要的風險基因。目前已知,APOE是一種載脂蛋白,主要在星形膠質(zhì)細胞中高表達,其中APOE4會增加AD的患病概率,APOE2具有保護作用,而APOE3則呈現(xiàn)中性作用[46]。2018年,LIN等[47]采用CRISPR/Cas9技術將1株APOE3/3誘導多能干細胞改造為APOE4/4誘導多能干細胞,并將這2株細胞同時誘導為星形膠質(zhì)細胞,結果顯示APOE4/4星形膠質(zhì)細胞內(nèi)的APOE表達下降,對Aβ42的清除能力也顯著降低。2019年,發(fā)表了一篇專論AD患者星形膠質(zhì)細胞標志物研究進展的綜述[48],意味著星形膠質(zhì)細胞在AD的研究中已受到越來越多的重視。
3.2.2 帕金森?。≒arkinson's disease,PD)
PD是僅次于AD的第2大類神經(jīng)退行性疾病,全球約有700萬~1 000萬人患病,其病理特征是腹側中腦黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元的大量死亡。PD患者腦組織中存活的腹側中腦多巴胺能神經(jīng)元內(nèi)有大量α-突觸核蛋白異常聚集體[49]。同樣,攜帶PD相關突變的星形膠質(zhì)細胞也會對多巴胺能神經(jīng)元產(chǎn)生非細胞自主性毒性作用。2010年,GU等[50]研究發(fā)現(xiàn),小鼠星形膠質(zhì)細胞條件性表達PD相關A53T突變型α-突觸核蛋白后,該小鼠在2個月時即出現(xiàn)明顯的癱瘓表型,組織學染色發(fā)現(xiàn)其大腦中有廣泛的星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞的活化,同時伴有黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元和脊髓運動神經(jīng)元的死亡。2019年,DI DOMENICO等[51]把含家族性突變基因LRRK2G2019S的PD患者和健康人來源的誘導多能干細胞分別誘導為星形膠質(zhì)細胞和多巴胺能神經(jīng)元,在與PD星形膠質(zhì)細胞共培養(yǎng)后,健康的多巴胺能神經(jīng)元表現(xiàn)出神經(jīng)退行的形態(tài)學特征,并發(fā)生α-突觸核蛋白的積累,由此表明星形膠質(zhì)細胞參與了PD的發(fā)病過程。
3.2.3 肌萎縮側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)
ALS是一種致死性的運動神經(jīng)元退行性疾病。自1993年發(fā)現(xiàn)第1個突變SOD1基因[52]以來,至今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個與該疾病相關的突變基因,包括FUS[53-54]、TDP43[55]和C9ORF72[56-57]等。由于ALS的主要癥狀是運動皮質(zhì)和脊髓中運動神經(jīng)元的死亡,因此研究的重點一直聚焦于神經(jīng)元。
2008年,GIORGIO等[58]把從人胚胎干細胞(human embryonic stem cell,hESC)誘導得到的健康運動神經(jīng)元與ALS模型小鼠的原代星形膠質(zhì)細胞進行共培養(yǎng),結果顯示攜帶SOD1G93A基因突變的星形膠質(zhì)細胞對運動神經(jīng)元產(chǎn)生了顯著的毒性作用,并且這一毒性作用隨著共培養(yǎng)時間的延長而進一步加劇。MARCHETTO等[59]把過表達SOD1G37R的人源星形膠質(zhì)細胞與從hESC誘導得到的運動神經(jīng)元進行共培養(yǎng),結果觀察到了類似的非細胞自主性毒性作用。2011年,PAPADEAS等[60]將攜帶SOD1G93A基因突變的星形膠質(zhì)細胞前體細胞(astrocyte precursor cell,APC)注射至小鼠頸椎脊髓腹角處,3個月后發(fā)現(xiàn)這些前體細胞定向分化成星形膠質(zhì)細胞,并且對注射位點周圍的神經(jīng)元產(chǎn)生了顯著的毒性作用。2019年,SILVERMAN等[61]對SOD1G93A小鼠脊髓中的細胞外囊泡進行了分離,發(fā)現(xiàn)這些細胞外囊泡主要為星形膠質(zhì)細胞來源,并且含有大量錯誤折疊的SOD1蛋白,從而揭示了星形膠質(zhì)細胞非細胞自主性毒性可能的分子機制。
3.2.4 亨廷頓?。℉untington's disease,HD)
HD是一種進行性腦部疾病,由Huntingtin基因第一個外顯子中CAG repeat異常的擴展引起,其特征是選擇性神經(jīng)退行,優(yōu)先發(fā)生在紋狀體棘神經(jīng)元(spiny neuron)中,會導致運動失控,情緒問題和思維能力喪失[62]。
2009年,BRADFORD等[62]讓小鼠星形膠質(zhì)細胞特異性表達N端突變的Huntingtin,結果發(fā)現(xiàn)小鼠出現(xiàn)體質(zhì)量下降和運動能力喪失等表型,該小鼠的壽命較野生型小鼠顯著縮短;研究還發(fā)現(xiàn),攜帶突變Huntingtin基因的星形膠質(zhì)細胞中的谷氨酸轉(zhuǎn)運體1的表達降低,因此其清除突觸間隙興奮性神經(jīng)遞質(zhì)(谷氨酸)的能力下降,這可能是HD星形膠質(zhì)細胞所具有的非細胞自主性毒性的機制之一。2016年,BENRAISS等[63]將表達突變的Huntingtin蛋白的人膠質(zhì)前體細胞移植至野生型小鼠大腦中,結果發(fā)現(xiàn)該細胞能將毒性傳遞給健康神經(jīng)元,導致小鼠運動能力的下降;反之,如果將野生型人膠質(zhì)前體細胞移植至HD模型小鼠的大腦中,則會顯著緩解該小鼠的疾病表型,由此說明星形膠質(zhì)細胞主動參與了HD的發(fā)展過程。2019年,JOSHI等[64]的研究發(fā)現(xiàn),HD模型小鼠來源的小膠質(zhì)細胞中的片段化線粒體所占比例顯著升高,并且能被分泌至細胞外。該片段化線粒體一方面可以直接對神經(jīng)元產(chǎn)生毒性,另一方面能夠?qū)㈧o息狀態(tài)的星形膠質(zhì)細胞轉(zhuǎn)化為促炎型A1星形膠質(zhì)細胞,并且進一步對神經(jīng)元產(chǎn)生毒性作用。如果抑制線粒體異常的片段化,就可以顯著緩解這一毒性作用。OSIPOVITCH等[65]對從攜帶突變Huntingtin基因的人胚胎干細胞誘導得到的膠質(zhì)前體細胞進行測序,結果發(fā)現(xiàn)這些細胞內(nèi)與膠質(zhì)細胞分化以及髓鞘生成相關的基因表達均顯著下降。
在精神類疾病中,星形膠質(zhì)細胞也扮演著一定的角色。例如,精神分裂癥患者會存在星形膠質(zhì)細胞數(shù)量的減少和胞體萎縮以及平衡調(diào)節(jié)能力下降等病理特征,這些營養(yǎng)不良的星形膠質(zhì)細胞分布在包括皮質(zhì)和海馬在內(nèi)的大腦的各個區(qū)域[66]。2017年,WINDREM等[67]把從精神分裂癥患者的誘導多能干細胞誘導得到的膠質(zhì)前體細胞移植至小鼠體內(nèi),結果發(fā)現(xiàn)患者來源的膠質(zhì)前體細胞在小鼠體內(nèi)的分化和發(fā)育出現(xiàn)異常,并且小鼠表現(xiàn)出焦慮和睡眠失調(diào)等表型。在一些情緒失調(diào)疾病中,星形膠質(zhì)細胞的病理表型似乎更加突出。例如,在嚴重抑郁癥和雙相情感障礙患者的眶額區(qū)、前扣帶回、前額葉和杏仁核等腦區(qū)中,都能觀察到星形膠質(zhì)細胞數(shù)量的顯著減少[68-69]。在自閉癥[69]和多發(fā)性硬化[70]等神經(jīng)系統(tǒng)疾病中,也有與星形膠質(zhì)細胞相關的研究報道。2019年,還發(fā)表了星形膠質(zhì)細胞在癲癇中作用的綜述[71]。
總之,在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究中,已有越來越多的研究一開始就聚焦于星形膠質(zhì)細胞,但是目前這些研究大多處于初步探索的階段,有關于星形膠質(zhì)細胞如何具體地參與這些疾病的發(fā)生和發(fā)展,仍需要進一步探索。