Cell Reports：控制胶质细胞增殖的神经元信号通路 | 对话科学家

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2022年3月29日，中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心陈椰林研究员联合基因泰克生物技术公司沈华智博士（Morgan Sheng, 现单位为Broad研究所）在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports上发表一篇新研究，题为“NMDA receptor-dependent Prostaglandin-Endoperoxide Synthase 2 induction in neurons promotes glial proliferation during brain development and injury”。课题组定义了一条源自神经元的NMDAR-Ptgs2信号通路，该通路可以在大脑发育和损伤过程中实现对胶质细胞的增殖进行跨细胞的控制与调节。

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哺乳动物脑中除了神经元之外，还含有丰富的胶质细胞，其中主要的一种为星形胶质细胞，此类细胞参与很多关键生理和病理过程，具有重要的功能。从脑发育的角度来讲，胚胎期的星形胶质细胞来源于放射状胶质细胞的分化，而放射状胶质细胞大部分在出生后就会消失。在新生小鼠脑中，伴随突触发生，大脑皮层星形胶质细胞的数量会增加6-8倍，其中绝大多数是通过局部增殖产生的，然而其局部增殖的调控机制并不清楚。星形胶质细胞对神经元突触的形成、消除和可塑性非常重要，但生理条件下神经元是否也可以影响胶质细胞的命运却并不清楚。此外，脑损伤和脑疾病也会导致胶质细胞的活化和增殖，这是神经炎症的主要特征之一，可能对疾病进程有着极为重要的影响，其调控机制亦不清楚，阻碍了相关工作的推进。

谷氨酸是最主要的兴奋性神经递质。N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-methyl-D-aspartate receptor; NMDAR）则是一种主要的谷氨酸受体，其激活是兴奋性突触活动的重要组成部分。NMDAR激活还会激活钙信号，因此能够引起很多神经功能的长时程改变，其中包括突触可塑性变化以及基因的表达调控等。之前的研究主要聚焦于NMDAR对短时间内（数小时内）神经功能的影响，NMDAR对于较长时间（一天以上）神经功能的调控几乎没有涉及。

在该项研究中，作者使用基因芯片分析了长时间（6小时和24小时）抑制海马体来源的原代培养神经细胞中NMDAR的活性对mRNA表达谱的影响。非常意外地发现持续抑制NMDAR 24小时后大量细胞分裂周期基因的表达下调，而6小时抑制并无此影响，此外，增强NMDAR活性也可以引起相关基因表达水平上调。后续研究发现这些基因主要表达于星状胶质细胞中，并且NMDAR活性的长时间改变可以双向调控星状胶质细胞的分裂。进一步研究发现，该NMDAR受体介导的信号通路源于神经元，而且NMDAR是通过诱导前列素内过氧化物合成酶2（Prostaglandin-endoperoxide Synthase 2; Ptgs2; 非甾醇类消炎药的靶点）的表达来促进星状胶质细胞分裂的。在小鼠发育过程中，使用药理学方法改变NMDAR活性也能够显著改变大脑皮层中星形胶质细胞的分裂，说明这个信号通路在脑发育过程中也会发挥作用。此外，创伤后脑损伤（traumatic brain injury; TBI）可以非常显著地激活神经元上的NMDAR-Ptgs2通路，并且引起包括星状胶质细胞和小胶质细胞在内的胶质细胞的激活和增殖。而当NMDAR被抑制或者Ptgs2基因被敲除后，TBI则不再能引起胶质细胞的活化和增殖，说明该源自神经元NMDAR的信号通路是脑损伤导致胶质细胞活化的关键因素。

总结而言，该研究定义了一条源自神经元的NMDAR-Ptgs2信号通路，该通路可以在大脑发育和损伤过程中实现对胶质细胞的增殖进行跨细胞的控制与调节。一方面在时间和细胞种类上扩大了神经可塑性的范畴，发现NMDAR可以在更长的时间轴上通过调控胶质细胞的分裂影响神经系统；另一方面，因为胶质细胞在病理条件下的激活是很多脑疾病中神经炎症的主要组成部分，该发现也为研究神经炎症的发生和调控机制提供了新方向。

A.原代培养的海马体神经细胞中NMDAR被激活时，处于不同有丝分裂阶段的星形胶质细胞（绿色/EdU为DNA，红色/GFAP为星形胶质细胞），比例尺为50μm；B. 神经元中NMDAR通过控制Ptgs2表达从而调控星形胶质细胞增殖的示意图。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请陈椰林研究员代表研究团队接受了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

星形胶质细胞的增殖与神经元的关系鲜少有报道，您是如何想到这一研究方向的？

陈椰林研究员：

简单地说，这个结果绝非是我们一开始就想到的，而是被实验结果一步一步引导过来的。对于这一问题的研究源于我们对NMDAR功能的好奇。举个例子，领域内都在讲突触塑性是学习和记忆的基础，但是对突触塑性的研究主要就是分析能持续几个小时的突触变化，尤其是一个小时以内的变化。而我们都知道学习记忆可以持续的时间可以是几十年，那么是什么样的机制可以介导持续这么长时间的塑性变化呢？这个问题并没有答案。NMDAR受体是控制突触塑性的关键分子，它有没有可能引起持续时间远超过几个小时的改变呢？这是我们课题的出发点。我们知道NMDAR受体调控基因表达，但是这种调控有什么生理学功能并不清楚。基因表达变化带来的改变可以持续更长的时间，所以我们就从这个角度出发开始研究。首先我们非常高兴地确认了在原代培养的神经细胞中抑制NMDAR后的确有许多基因的表达发生了改变。然而兴奋过后发现另一个必须面对的难题，数以百计的基因变化让我们对后续的研究方向非常困惑。到底应该研究哪个基因的功能？在使用基因富集分析（Gene Ontology）之后，我们惊讶地发现表达水平发生显著改变的基因在细胞周期通路有非常显著的富集，显示细胞分裂状态发生了改变。然而众所周知，健康神经元是不会分裂的。Morgan无意中问到，到底是什么细胞的分裂基因在受NMDAR调控呢？怀着对这一问题的好奇，我们一步一步地深入研究，才发现了这个让人极为惊讶的信号通路。如果回头再看的话，我们的确发现了一个NMDAR调控神经系统更长时程塑性变化的新机制，但是其中的细节绝对不是我们最初能够设想到的。

CellPress：

有很多文献报道Ptgs2主要表达在胶质细胞中，这和你们的结果看起来似乎是矛盾的。这如何解释？

陈椰林研究员：

的确有很多报道认为Ptgs2主要表达在胶质细胞中。但是也有一些报道发现Ptgs2在神经元中可以被诱导表达，这和我们的结果是一致的。实际上，我们对于Ptgs2表达的细胞类型极为关心，并且使用了金标准Ptgs2基因敲除小鼠对我们使用的染色抗体进行了特异性验证。结果发现，Ptgs2在生理条件下就是主要表达在神经元中的。在我们的急性脑损伤模型中，Ptgs2在神经元中的表达以NMDAR依赖的方式被大量诱导，仅有极少数的Ptgs2在小胶质细胞中被诱导，星状胶质细胞中则始终未检测到信号。这些结果完全能够说明Ptgs2在我们使用的模型中主要是在神经元中诱导表达的。但是需要强调的是，我们并不能排除在其它疾病模型中，Ptgs2可以在某些种类胶质细胞中被诱导的可能性。因此不同的实验结果有可能是不同的疾病模型或者是细胞培养方式导致的。

CellPress：

NMDAR下游基因众多，如何锁定到Ptgs2这一基因在NMDAR促进星形胶质细胞增殖中发挥作用？

陈椰林研究员：

我们的研究发现神经元中的NMDAR活性能够跨细胞地调控星形胶质细胞的增殖，因此我们设想应该存在一种能够被神经元上的NMDAR活性诱导的分泌性分子。而由于星形胶质细胞的分裂能够被NMDAR的活性双向调控，因此这个分子也应该被NMDAR的活性双向调控。后续分析发现，尽管有467个基因被NMDAR的抑制所调控，567个基因被NMDAR的激活所调控，但同时被NMDAR抑制和激活都调控的基因只有34个（Chen et al., 2014）。而这34个基因中，只有两个能够直接分泌因子：脑源性神经营养因子（Brain-derived neurotrophic factor; BDNF）和Ptgs2。进一步研究发现，虽然两者的分泌分子均能够促进星形胶质细胞的增殖，但是只有Ptgs2的抑制剂能够阻断这一过程，说明Ptgs2对NMDAR调控星形胶质细胞的分裂更为关键。

CellPress：

通过本研究怎样理解神经元在炎症反应中扮演的角色？

陈椰林研究员：

通常认为神经炎症的发生主要源于胶质细胞并且由其主导，导致众多炎症分子上调，进而引起一系列的神经损伤。在这个过程中，过去研究认为神经元的贡献主要来自于其死亡后产生的碎片或者外泄的代谢物。我们的研究发现，健康的神经元就可以通过NMDAR-Ptgs2通路激活胶质细胞：轻微脑损伤模型中并没有引起神经细胞的死亡，但是仍然可以通过该通路激活胶质细胞。这说明不仅仅是死亡的神经元，活跃的神经元也可以是神经炎症的源头。这个发现对于理解神经炎症的发生极为重要，提醒大家在谈到神经炎症的时候不能只想到胶质细胞，神经元在其中也可能起到关键作用。神经炎症可能是神经元和胶质细胞相互作用的结果。

CellPress：

本研究对于临床上创伤后脑损伤的治疗药物的开发有哪些指导和帮助？

陈椰林研究员：

创伤后脑损伤可以分为两个阶段：初级损伤起源于直接的机械伤害；二级损伤是由一系列生理生化变化包括兴奋性毒性和炎症等引发的。由于初级损伤是无法控制的，因此对于脑损伤的治疗通常聚焦在对二级损伤的缓解上。从这个角度来理解，NMDAR是介导兴奋性神经毒性的关键分子是已知的，我们的发现则表明NMDAR还能引起神经炎症，这说明NMDAR在二级损伤中是一个核心信号分子。目前我们在动物中使用的抑制剂需要使用较大剂量才能有效关闭NMDAR-Ptgs2通路，这样就会引起较大的副作用，可行性较小。如果能够开发出副作用更小的NMDAR抑制剂，则有可能对于脑损伤有很好的治疗效果。另外使用Ptgs2抑制剂或许会是一种有效的方法：我们在Ptgs2基因敲除小鼠上所做的实验发现Ptgs2就是控制胶质细胞活化的核心分子，虽然起作用的Ptgs2到底来自神经元还是别的细胞这一问题并没有直接证据，仍然需要更深入的研究。需要注意的是，Ptgs2抑制剂是常见的非甾醇类消炎药，但此类药物在临床上治疗脑损伤并不太成功，其中的原因则需要进一步的分析。

参考文献

Chen, Y., Wang, Y., Modrusan, Z., Sheng, M., and Kaminker, J.S. (2014). Regulation of neuronal gene expression and survival by basal NMDA receptor activity: a role for histone deacetylase 4. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 34, 15327-15339.

作者介绍

陈椰林 

研究员

陈椰林，中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心研究员，博士生导师。本科毕业于北京大学生物化学与分子生物学专业，后进入美国范德比尔特大学进行靶向谷氨酸受体的新型精神类药物研究和开发，并获得神经生物学博士学位，随后在麻省理工学院和基因泰克生物技术公司进行同一研究领域的博士后训练。2015年加入中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心任课题组长和研究员，聚焦精神类疾病和神经退行性疾病的致病机制。课题组主要使用分子细胞神经生物学和药理学手段研究脑疾病的致病机制。

沈华智

教授

沈华智（Morgan Sheng），英国皇家学会会员；哈佛大学和麻省理工学院Broad研究所斯坦利精神病学研究中心联合主任；麻省理工学院脑与认知科学系教授。2001-2008年任麻省理工大学神经科学系教授；2008-2019年任基因泰克生物技术公司神经科学高级副总裁；2019年加入Broad研究所任斯坦利精神病学研究中心联合主任。曾担任Neuron、Journal of Neuroscience和Current Opinions in Neurobiology杂志的编委会成员，截至目前已发表超过200篇同行评审的文章。主要研究方向为突触结构和可塑性的分子机制以及神经退行性疾病的分子细胞生物学。

周佳 

博士生

中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心在读博士。2016年进入陈椰林课题组攻读博士学位，主要研究方向为NMDA受体功能与脑疾病。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

NMDA receptor-dependent Prostaglandin-Endoperoxide Synthase 2 induction in neurons promotes glial proliferation during brain development and injury

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(22)00301-1

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.110557

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