Crym阳性的纹状体星形胶质细胞控制持续行为

Crym-positive striatal astrocytes gate perseverative behaviour

作者信息Matthias Ollivier, Joselyn S Soto, Kay E Linker, Stefanie L Moye, Yasaman Jami-Alahmadi, Anthony E Jones, Ajit S Divakaruni, Riki Kawaguchi, James A Wohlschlegel, Baljit S Khakh
PMID38418885
期刊Nature
发布时间2024-03
DOI10.1038/s41586-024-07138-0

实验完整度

高

包含体外电生理、行为学、化学遗传学、单细胞RNA测序、蛋白质组学等多层级实验,并进行了功能验证和机制验证。

主要模型

C57BL/6小鼠(Crym KO) CAG-Cas9转基因小鼠 SAPAP3-/-小鼠 Crym-GFP报告小鼠

重点核对

纹状体星形胶质细胞Crym敲除效率约80% 行为学测试包括大理石埋藏、自我梳理、舔水、新物体识别 电生理记录评估lOFC-纹状体突触EPSC和E/I比 GAT3拮抗剂SNAP-5114和GABAB受体拮抗剂CGP55845处理 化学遗传学激活使用DCZ(1μg/kg)

摘要

星形胶质细胞是中枢神经系统的异质性胶质细胞。然而,星形胶质细胞多样性对神经回路和行为的生理相关性仍不清楚。在这里,我们展示了中央纹状体中一个特定的星形胶质细胞群体表达μ-晶状体蛋白(由小鼠中的Crym和人类中的CRYM编码),该蛋白与多种人类疾病相关,包括神经精神疾病。在成年小鼠中,通过CRISPR-Cas9介导的Crym敲除降低纹状体星形胶质细胞中μ-晶状体蛋白的水平,导致持续行为、中等多棘神经元的快速突触兴奋增加以及兴奋-抑制突触平衡失调。增加的持续性源于星形胶质细胞对眶额皮质-纹状体投射突触前末端神经递质释放控制的丧失。我们发现使用突触前抑制性化学遗传学可以纠正持续性,并且这种治疗也纠正了突触缺陷。总之,我们的发现揭示了汇聚的分子、突触、回路和行为机制,通过该机制,一个分子定义且空间分配的纹状体星形胶质细胞群体控制伴随神经精神疾病的持续表型。我们的数据显示,Crym阳性的纹状体星形胶质细胞在中枢神经系统中具有关键的生物学功能,并揭示了星形胶质细胞-神经元相互作用的机制,这些机制可以作为治疗持续性的靶点。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
特定分子定义的星形胶质细胞群体是否调控特定神经回路和行为,以及其机制是什么?
核心机制
Crym+纹状体星形胶质细胞通过GAT3介导的胞外GABA释放,激活lOFC-纹状体突触前GABAB受体,抑制谷氨酸释放;Crym敲除降低胞外GABA,导致突触前抑制减弱、谷氨酸释放增加、E/I比升高,最终引起持续行为。
主要证据
CRISPR-Cas9敲除星形胶质细胞Crym导致行为学持续表型;电生理显示mEPSC频率增加、PPR降低、E/I比升高;化学遗传学(hM4Di)激活lOFC-纹状体突触前可逆转这些表型。
研究意义
揭示了Crym+星形胶质细胞在中枢神经系统中的关键功能,并提供了治疗持续行为的潜在靶点,特别是针对HD和OCD等疾病的治疗。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

鉴定Crym+纹状体星形胶质细胞

确定特定星形胶质细胞群体的分子特征和空间分布。

结合RNA-seq、scRNA-seq、RNAscope和免疫组化,鉴定纹状体中表达Crym的星形胶质细胞,并分析其发育和年龄表达。

2

敲除星形胶质细胞Crym

研究Crym在星形胶质细胞中的功能。

使用CRISPR-Cas9在纹状体星形胶质细胞中敲除Crym,并验证约80%的μ-crystallin降低。

3

评估行为学表型

确定Crym敲除是否影响行为。

进行一系列行为学测试,包括旷场、转棒、足印、大理石埋藏、自我梳理、舔水、新物体识别。

4

电生理记录突触传递

检测Crym敲除对纹状体突触传递的影响。

在脑片上记录MSN的EPSC、mEPSC、sIPSC和E/I比,并评估lOFC-纹状体输入的特异性。

5

研究突触前机制

确定Crym敲除如何影响突触前释放概率。

测量tonic GABA电流、GAT3表达、GABA和MAOB水平,并使用GABAB受体激动剂和拮抗剂验证。

6

化学遗传学纠正持续行为

验证突触前抑制的恢复是否能逆转表型。

在纹状体注射逆行hM4Di,并用DCZ激活,评估对行为和突触的影响。

7

蛋白互作组和机制分析

阐明μ-crystallin在星形胶质细胞内的分子功能。

使用BioID2邻近标记鉴定μ-crystallin相互作用蛋白,并进行通路分析。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
AAV2/5-U6-sgRNA-Crym-GfaABC1D-mCherryAddgene200067
AAV2/5-U6-sgRNA-GFP-GfaABC1D-mCherryAddgene200068
AAV9-CaMKIIa-hChR2(H134R)-mCherryAddgene26975
AAV1-hSyn-Chronos-GFPAddgene59170
AAV-hSyn-hM4D(Gi)-mCherryAddgene50475
AAV-hSyn-mCherryAddgene114472
AAV2/5-GfaABC1D-Rpl22-HAAddgene111811
AAV2/5-GfaABC1D-Crym-EGFPAddgene200080
AAV2/5-GfaABC1D-Crym-BioID2-HAAddgene200070
AAV2/5-GfaABC1D-jGCaMP8mAddgene213010
AAV2/5-GfaABC1D-tdTomatoAddgene44332
Guide-it Complete sgRNA筛选系统Takara Bio632636
霍乱毒素B亚基,Alexa Fluor 647偶联物Thermo Fisher ScientificC34778
小鼠抗μ-晶状体蛋白抗体Santa Cruzsc-376687
鸡抗GFP抗体Abcamab13970
小鼠抗NeuN抗体MilliporeMAB377
豚鼠抗NeuN抗体Synaptic Systems266004
兔抗DARPP-32抗体Abcamab40801
兔抗S100β抗体Abcamab41548
兔抗cFOS抗体Synaptic Systems226008
兔抗RFP抗体Rockland600-401-379
兔抗mCherry抗体Abcamab167453
兔抗MOR1抗体Millipore SigmaAB5511
鸡抗钙结合蛋白D-28K抗体Novus BiologicalsNBP2-50028
鸡抗GFAP抗体Abcamab4674
兔抗HA标签抗体Abcamab9110
豚鼠抗RFP抗体Synaptic Systems390004
兔抗SOX9抗体EMD MilliporeAB5535
兔抗OLIG2抗体EMD MilliporeAB9610
兔抗KIR4.1抗体Alomone LabsAPC-035
兔抗ATP1a2抗体Proteintech16836-1-AP
兔抗GLT1抗体Synaptic Systems250203
小鼠抗GABA抗体Abcamab86163
兔抗MAOB抗体Thermo Fisher ScientificPA5-28338
兔抗GAT3抗体gift from N. Brecha laboratory--
兔抗CAPZB抗体Thermo Fisher ScientificPA5-83196
Alexa Fluor 405山羊抗小鼠二抗Molecular ProbesA31553
Alexa Fluor 488山羊抗鸡二抗Molecular ProbesA11039
Alexa Fluor 488山羊抗兔二抗Molecular ProbesA11008
Alexa Fluor 488山羊抗小鼠二抗Molecular ProbesA11010
Alexa Fluor 546山羊抗小鼠二抗Molecular ProbesA11030
Alexa Fluor 546山羊抗兔二抗Molecular ProbesA11001
Alexa Fluor 647山羊抗兔二抗Molecular ProbesA21244
链霉亲和素,Alexa Fluor 488偶联物Molecular ProbesS11223
荧光黄CH二锂盐SigmaL0259
多重RNAscope试剂盒ACDBio320851
靶标修复试剂ACDBio322000
蛋白酶预处理溶液ACDBio322340
Mm-Crym-C3探针ACDBio466131-C3
Mm-Drd1-C3探针ACDBio461901-C3
Mm-Drd2-C3探针ACDBio406501-C3
洗涤缓冲液ACDBio310091
HybEZ杂交系统ACDBio310010
氟西汀Tocris0927
去氯氯氮平Tocris7193
6-氰基-7-硝基喹喔啉-2,3-二酮----
荷包牡丹碱----
生物胞素Tocris3349
TUNEL Andy Fluor 647细胞凋亡检测试剂盒ABP BiosciencesA052
链霉蛋白酶Sigma-AldrichP6911
碎片去除试剂盒Miltenyi Biotec130-109-398
RNeasy Plus Micro试剂盒QIAGEN74034
Ribo-Zero Gold试剂盒Epicentre--
生物素Millipore SigmaRES1052B-B7
Halt蛋白酶抑制剂Thermo Fisher Scientific78429
链霉亲和素-辣根过氧化物酶SigmaRABHRP3
兔抗β-肌动蛋白抗体Abcamab8227
IR-dye 800CW山羊抗兔二抗Li-Cor--
NeutrAvidin琼脂糖Pierce20398
Duolink PLA荧光检测方案Sigma-AldrichDUO92101,
抗原修复液SigmaC999
驴血清SigmaD9663
兔抗USP9X抗体Proteintech55054-1-AP
兔抗MAPT抗体Thermo Fisher ScientificPA-10005
豚鼠抗RFP抗体Synaptic Systems390004
抗兔PLUS引物探针Sigma-AldrichDUO92002
抗小鼠MINUS引物探针Sigma-AldrichDUO92004
洗涤缓冲液ASigma-AldrichDUO82049
洗涤缓冲液BSigma-AldrichDUO82049
DuoLink含DAPI封片剂Sigma-AldrichDUO82040
驴抗豚鼠Cy3二抗Jackson ImmunoResearch706-165-148

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
模型构建
小鼠品系:C57BL/6、CAG-Cas9;年龄:9-15周;性别:雄性和雌性;AAV注射剂量和体积;注射坐标
阅读提示:Methods: Mouse models; Stereotaxic microinjections of AAVs
Crym敲除验证
μ-crystallin降低约80%;GFP降低水平;SVZ未受影响
阅读提示:Results: Reduction of μ-crystallin in striatal astrocytes; Fig 2a,b; Extended Data Fig 4h,i
行为学测试
测试时间(注射后3-5周);测试时间窗口(09:00-18:00);环境条件(温度23±2°C,湿度55±5%,亮度<20 lux);白噪声65±2dB;行为测试的具体参数
阅读提示:Methods: Behavioural tests
电生理记录
脑片厚度300μm;记录温度21-23°C;细胞内液组成;电压钳制电位;药物浓度(TTX 0.3μM,CNQX 10μM,bicuculline 25μM);记录细胞类型(MSN和星形胶质细胞)
阅读提示:Methods: Brain-slice preparation and electrophysiological recordings
化学遗传学
DCZ剂量1μg/kg,腹腔注射;注射时间;行为测试时间点;hM4Di表达验证
阅读提示:Methods: Pharmacological treatments; Results: Corrective presynaptic chemogenetics