2月7日，Cell Discovery在線(xiàn)發(fā)表了題為Adenosine-Independent Regulation of the Sleep-Wake Cycle by Astrocyte Activity的研究論文。該研究由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）徐敏研究組和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院張思宇研究組合作完成。該研究采用光纖記錄、化學(xué)遺傳、基因敲除和腦片電生理等技術(shù)，結(jié)合新型腺苷、ATP熒光探針，發(fā)現(xiàn)基底前腦星形膠質(zhì)細(xì)胞可雙向調(diào)控睡眠-覺(jué)醒行為，且該過(guò)程不依賴(lài)胞外腺苷信號(hào)。該研究為剖析星形膠質(zhì)細(xì)胞在睡眠-覺(jué)醒中的作用與機(jī)制提供了新線(xiàn)索。
以往研究表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)腺苷途徑調(diào)控睡眠-覺(jué)醒行為。這些研究主要通過(guò)在星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)dnSNARE抑制其胞吐作用，并結(jié)合藥理學(xué)手段拮抗腺苷受體，間接探究了星形膠質(zhì)細(xì)胞來(lái)源的腺苷對(duì)睡眠-覺(jué)醒行為的調(diào)控作用。然而，介導(dǎo)dnSNARE在星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)GFAP啟動(dòng)子導(dǎo)致外源基因在神經(jīng)元中異位表達(dá)。神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞均可調(diào)控胞外腺苷濃度，而二者之間的相對(duì)貢獻(xiàn)尚不清楚。此外，最新研究發(fā)現(xiàn)，睡眠-覺(jué)醒行為關(guān)鍵調(diào)控腦區(qū)基底前腦（basal forebrain，BF）的神經(jīng)元是胞外腺苷的重要來(lái)源。系列研究提示星形膠質(zhì)細(xì)胞是胞外腺苷重要來(lái)源這一經(jīng)典觀點(diǎn)可能不準(zhǔn)確，星形膠質(zhì)細(xì)胞可能不是通過(guò)腺苷途徑調(diào)控睡眠-覺(jué)醒行為。
為探究BF星形膠質(zhì)細(xì)胞調(diào)控睡眠-覺(jué)醒行為的機(jī)制，研究建立了可在BF介導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞特異基因表達(dá)的方法。研究通過(guò)系統(tǒng)性的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，既往研究采用的多種轉(zhuǎn)基因小鼠或病毒策略均在BF腦區(qū)導(dǎo)致嚴(yán)重神經(jīng)元漏表達(dá)，原本設(shè)計(jì)為靶向星形膠質(zhì)細(xì)胞的基因卻表達(dá)在神經(jīng)元中，而AAV5+GfaABC1D啟動(dòng)子可在BF介導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞高度特異的基因表達(dá)。
為揭示BF星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)睡眠-覺(jué)醒周期的調(diào)控作用，研究通過(guò)光纖記錄測(cè)量了BF星形膠質(zhì)細(xì)胞在睡眠-覺(jué)醒周期中的活動(dòng)模式，發(fā)現(xiàn)BF星形膠質(zhì)細(xì)胞在覺(jué)醒期非?；钴S，提示其可能參與覺(jué)醒維持。研究采用化學(xué)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(zhì)細(xì)胞的鈣活動(dòng)，并記錄分析小鼠睡眠-覺(jué)醒行為的變化情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，激活BF星形膠質(zhì)細(xì)胞導(dǎo)致小鼠NREM睡眠碎片化，REM睡眠時(shí)長(zhǎng)減少，表明小鼠睡眠質(zhì)量下降，整體覺(jué)醒水平增加；而抑制BF星形膠質(zhì)細(xì)胞則顯著降低小鼠的覺(jué)醒水平。上述研究表明，BF星形膠質(zhì)細(xì)胞可雙向調(diào)節(jié)睡眠-覺(jué)醒行為。
在確定BF星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)睡眠-覺(jué)醒行為的調(diào)控作用后，研究人員探討了腺苷信號(hào)是否在該過(guò)程中發(fā)揮重要作用。既往研究認(rèn)為，星形膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)分泌ATP，之后ATP通過(guò)一系列胞外酶降解為腺苷。因此，科研人員采用北京大學(xué)教授李毓龍團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的腺苷和ATP探針，測(cè)量了胞外腺苷、ATP和星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動(dòng)之間的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動(dòng)與胞外腺苷及ATP信號(hào)高度相關(guān)，星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動(dòng)與ATP信號(hào)在時(shí)程具有一致性，且均提前于腺苷信號(hào)。這提示星形膠質(zhì)細(xì)胞可能通過(guò)釋放ATP驅(qū)動(dòng)了胞外腺苷濃度上升。
為驗(yàn)證星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動(dòng)是否可驅(qū)動(dòng)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(zhì)細(xì)胞，卻未發(fā)現(xiàn)胞外腺苷水平顯著上升。敲除介導(dǎo)ATP向腺苷轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶——CD73也未能影響胞外腺苷水平。以上實(shí)驗(yàn)提示，BF星形膠質(zhì)細(xì)胞可能不是胞外腺苷的重要來(lái)源。
光遺傳激活星形膠質(zhì)細(xì)胞引起的鈣活動(dòng)可能與生理鈣信號(hào)存在一定差異，且ATP也可能通過(guò)CD73以外的酶被轉(zhuǎn)化為腺苷。因此，研究人員進(jìn)一步采用條件敲除IP3R2受體的方法直接抑制BF星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動(dòng)，以觀察其對(duì)胞外腺苷濃度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動(dòng)只影響胞外ATP水平，并不影響胞外腺苷濃度。該實(shí)驗(yàn)表明星形膠質(zhì)細(xì)胞極有可能不是胞外腺苷濃度上升的重要因素，進(jìn)一步提示星形膠質(zhì)細(xì)胞可能通過(guò)非腺苷依賴(lài)的途徑調(diào)控了睡眠-覺(jué)醒行為。
此外，研究人員進(jìn)一步探究了BF星形膠質(zhì)細(xì)胞活動(dòng)與神經(jīng)元活動(dòng)之間的相互影響，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞活動(dòng)主要由BF腦區(qū)內(nèi)的神經(jīng)活動(dòng)引起，且化學(xué)遺傳激活星形膠質(zhì)細(xì)胞可改變持續(xù)性抑制（tonic GABA current）和BF腦區(qū)的突觸傳遞。研究初步探索了BF腦區(qū)之外的星形膠質(zhì)細(xì)胞影響睡眠-覺(jué)醒周期的機(jī)制。
星形膠質(zhì)細(xì)胞可通過(guò)多種機(jī)制調(diào)控睡眠-覺(jué)醒行為，其中腺苷信號(hào)被認(rèn)為發(fā)揮了重要作用。然而，既往研究采用非特異的GFAP-Cre小鼠，導(dǎo)致無(wú)法區(qū)分實(shí)驗(yàn)結(jié)果是星形膠質(zhì)細(xì)胞還是神經(jīng)元活動(dòng)改變所致。當(dāng)前研究采用病毒介導(dǎo)的高度特異表達(dá)體系，結(jié)合最新開(kāi)發(fā)的腺苷和ATP熒光探針以及多種轉(zhuǎn)基因小鼠，探索BF腦區(qū)星形膠質(zhì)細(xì)胞調(diào)控睡眠-覺(jué)醒行為的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞不是胞外腺苷的重要來(lái)源，提示“星形膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)非腺苷途徑調(diào)控了睡眠-覺(jué)醒行為”。
研究工作得到中科院、科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金和上海市等的支持。
星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)睡眠-覺(jué)醒周期的調(diào)控
腦智卓越中心等發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞調(diào)控睡眠新機(jī)制
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心
本賬號(hào)稿件默認(rèn)開(kāi)啟微信“快捷轉(zhuǎn)載”
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處
