星形胶质细胞来源的BDNF对晚期LTP具有关键的调控作用

发布时间：2018-11-02 09:21

【摘要】：大脑中有两类神经细胞:神经元细胞和神经胶质细胞。一直以来,人们认为神经元与神经元间的网络联系是神经系统发挥功能的唯一途径,而对于数量为神经元细胞10倍以上的神经胶质细胞(星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞等),在信息传递中的作用研究甚少。神经胶质细胞仅被视为是神经元的被动的、辅助性的伙伴。星形胶质细胞属于大胶质细胞,是哺乳动物脑中分布最为广泛的一类神经胶质细胞。近年人们对星形胶质细胞的功能有了新的认识。星形胶质细胞除了营养支持的功能外,还可以调节神经元间化学突触的信息传递。在中枢神经系统中,突触周围一般都有星形胶质细胞的突起包绕,因此星形胶质细胞被看成是继突触前、后成份之后构成突触的第三成份,星形胶质细胞可与神经元形成“Tripartite Synapse”直接参与信息交流。人们之前的研究发现星形胶质细胞具有多种神经递质受体,如兴奋性谷氨酸受体,抑制性GABA受体,多巴胺受体等。所以神经元释放的神经递质也可以作用于神经胶质细胞引起复杂的生理反应。星形胶质细胞的钙信号主要由代谢型受体操控。已有研究证明谷氨酸可诱发原代的星形胶质细胞内Ca~(2+)浓度升高。谷氨酸受体可分为两种类型:离子型受体和代谢型受体。星形胶质细胞主要通过代谢型谷氨酸受体与胞内IP3受体偶连,诱导细胞内钙库中Ca~(2+)的释放,从而使胞内Ca~(2+)浓度升高。因此,当神经元释放兴奋性神经递质谷氨酸时,星形胶质细胞上的代谢性谷氨酸受体就被激活,使胞内Ca~(2+)浓度升高。利用Ca~(2+)成像技术,发现星形胶质细胞间是通过化学信号—Ca~(2+)浓度升高(钙振荡波)来进行信息传递和信号放大的。Ca~(2+)浓度升高可以触发星形胶质细胞释放包括谷氨酸、ATP、BDNF等信号分子。这些信号分子可以传递给其他的星形胶质细胞,也可以反馈给神经元,影响神经元的突触效能。星形胶质细胞这种神经活动依赖性的钙离子浓度升高,表明钙振荡即是星形胶质细胞的基本的兴奋方式,也是神经元与星形胶质细胞间信息交流的基本模式。通过在单一星形胶质细胞uncagingIP3或钙,可在海马CA1记录到的sEPSC频率增加,这种全胶质细胞水平钙升高导致胶质细胞释放谷氨酸,并作用于突触前的代谢型谷氨酸受体进而升高突触前钙水平,增加神经递质释放的几率。另一些在同样脑区给予电刺激,这一点刺激会导致胶质细胞钙水平升高,并触发胶质细胞ATP的释放,胞外ATP迅速转变成腺苷,腺苷通过作用于抑制性突触前的腺苷受体抑制突触前谷氨酸的释放。这些结果表明不同的刺激方式可能在同一个胶质细胞上导致释放不同的递质。目前,星形胶质细胞钙活动依赖的胶质递质传递是否参与突触可塑性的调节现在还存有争论,Agulhon等通过基因手段增强或抑制胶质细胞钙信号发现胶质细胞钙水平变化并不会影响CA1区谷氨酸的释放,这一结果表明可能胶质细胞钙水平增加并不参与到神经活动的调节。而Henneberger的研究则表明,胶质细胞钙水平变化通过影响D-serine从胶质细胞的释放而调控突触可塑性。以上这些结果表明,胶质递质释放并不只是简单的全细胞的钙水平升高。这一方面取决于所采用的升高星形胶质细胞胞内钙水平试验方法,递质可能会释放,即使释放了递质,对突触传递的作用也是易变的。因而需要进一步的研究来阐明这些相互冲突的结论。上面所讨论的这些相互冲突的结果之间主要是关于:星形胶质细胞内钙信号,胶质递质传递和LTP或其他形式的可塑性。总而言之,星形胶质细胞钙信号的产生和胶质递质释放没有太多的争论。争论集中在胶质递质传递的机制及其是否为钙依赖以及胶质递质传递在突触可塑性中的作用。因而我们利用特异性增强或沉默胶质细胞胞内钙信号的工具小鼠(MrgA1~+,IP3R2KO)进一步阐明是否胶质细胞通过钙依赖的释放胶质递质进而调控突触传递及其在突触可塑性中的作用。我们在降低胶质细胞的钙活动的IP3R2敲除小鼠上发现其晚期LTP受损,胶质细胞可以释放的递质物质中已知和晚期LTP密切相关的就是BDNF。以前的研究更多的集中在神经元来源的BDNF对于晚期LTP的调控。而BDNF在脑组织中分布非常广泛,因而其他来源的BDNF是否也同样具有调节晚期LTP的功能人们还不清楚。根据上述的研究结果我们提出一个假说:胶质细胞来源的BDNF也能够参与对晚期LTP的调节。因BDNF的释放也依赖于IP3途径激活的钙信号,因而为探究胶质细胞来源的BDNF的功能,我们采用了 IP3R2敲除小鼠降低胶质细胞胞内Ca~(2+)浓度和MrgA1~+敲入小鼠增加胶质细胞胞内Ca~(2+)浓度,来改变胶质细胞释放BDNF的量的变化进而研究胶质细胞来源BDNF对长期学习记忆的调控功能。首先,在IP3R2敲除小鼠及其对照小鼠海马CA1区给予4串高频强直刺激(100 HZ 1s,每串之间间隔5min)或12串的θ刺激,观察降低胶质细胞钙活动对基本突触传递和LTP的诱导的影响。我们发现在敲除小鼠其晚期LTP受损,而在晚期LTP诱导前20min给予BDNF则可以挽救这种L-LTP的损害,通过煮沸失活的BDNF则不能挽救L-LTP的损害。并且E1ISA检测发现IP3R2敲除小鼠的海马BDNF蛋白含量与对照相比显著性降低,而纹状体BDNF蛋白含量与对照组相比没有差异。为进一步确定是否胶质细胞来源BDNF介导的这种作用,利用tet-off系统选择性在星形胶质细胞上表达MrgA1受体,MrgA1 Gq GPCRs激动剂phe-1eu-arg-phe amide (FLRFa)肽能选择性增强星形胶质细胞钙信号,我们发现在给予1串高频刺激(100HZ, 1s)对照小鼠tTA无法诱导出L-LTP,给予FLRF四肽处理也无法成功诱导晚期LTP,而MrgA1~+小鼠其晚期LTP也无法成功诱导,在给予FLRP四肽处理增强星形胶质细胞钙信号的MrgA1~+小鼠脑片其晚期-LTP可以成功诱导。给予MrgA1~+小鼠煮沸失活的FLRF四肽则无法成功诱导晚期LTP。同时我们也检测了 MrgA1~+小鼠海马的BDNF蛋白水平,与未给予FLRFa处理的MrgA1~+小鼠和tTA对照小鼠相比,给予FLRFa四肽处理的MrgA1~+小鼠其海马BDNF量显著性升高。为进一步探究胶质细胞来源的BDNF的功能,我们用可诱导表达的GFAP-Cre ERT2与BDNF-loxp小鼠交配生产GFAP-BDNF-loxp小鼠,在给予连续一周的他莫昔芬处理后可以特异敲除胶质细胞的BDNF。在GFAP-BDNFKO小鼠,其晚期LTP的表达与对照组相比有显著性差异。上述研究结果表明胶质细胞来源的BDNF参与了海马CA1区晚期LTP调控。它使我们能够更加深入了解BDNF在学习记忆中的作用和它在成年大脑的功能及其分子细胞机制;有助于理解神经疾病中的长期记忆障碍等认知缺陷的病理机制,并且为开发新型的功能性药理干预措施提供一个合理的依据。
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【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R338

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