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星形膠質(zhì)細胞參與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的腦炎癥，但控制星形膠質(zhì)細胞反應(yīng)性的分子機制及其與神經(jīng)炎癥終點的關(guān)系是復(fù)雜的,，且知之甚少,。

基于此，2023年9月7日芝加哥西北大學(xué)范伯格醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)系Murali Prakriya研究團隊在Nature Neuroscience雜志上發(fā)表文章“Astrocyte reactivity and inflammation induced depression-like behaviors are regulated by Orai1 calcium channels”揭示了星形膠質(zhì)細胞的反應(yīng)性和炎癥誘導(dǎo)的抑郁樣行為受到Orai1鈣通道的調(diào)節(jié),。

在這項研究中,，作者評估了鈣通道Orai1在小鼠星形膠質(zhì)細胞反應(yīng)性和炎癥誘發(fā)的抑郁行為中的作用。轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析表明,，星形膠質(zhì)細胞中Orai1的缺失可下調(diào)炎癥和免疫,、代謝和細胞周期途徑中的基因，并減少細胞代謝物和ATP的產(chǎn)生,。外周脂多糖誘導(dǎo)的全身炎癥增加了野生型小鼠的海馬炎癥標(biāo)志物,，但在星形膠質(zhì)細胞Orai1敲除小鼠中沒有。Orai1的缺失也會減弱炎癥誘導(dǎo)的海馬體中星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號通路和抑制性神經(jīng)傳遞,。與這些細胞變化相一致,，Orai1基因敲除小鼠表現(xiàn)出脂多糖誘發(fā)的抑郁樣行為的改善，包括快感缺乏癥和無助感,。這些發(fā)現(xiàn)表明,，Orai1是控制星形膠質(zhì)細胞反應(yīng)性和星形膠質(zhì)細胞介導(dǎo)的腦炎癥的重要信號中樞，這在許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病中都很常見,。

圖一 Orai1信號通路刺激星形膠質(zhì)細胞的代謝重編程

一些對糖酵解至關(guān)重要的基因被減少,，包括己糖激酶2將葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖-6-磷酸，以及葡萄糖激酶調(diào)節(jié)蛋白負調(diào)控葡萄糖激酶酶,。這些改變表明,，Orai1 Ca2+信號通路是控制星形膠質(zhì)細胞代謝的一個重要通路。然而,，Orai1 cKO星形膠質(zhì)細胞相對于控制星形膠質(zhì)細胞表現(xiàn)出許多代謝途徑的下調(diào),，特別是在與糖酵解、超氧化物降解,、谷氨酸代謝和尿素循環(huán)相關(guān)的途徑中,。此外，Orai1 cKO星形膠質(zhì)細胞中果糖1,、6二磷酸,、2-和3-磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸,、丙酮酸和乳酸均減少,，這與RNA-seq分析結(jié)果一致,，表明Orai1 cKO星形膠質(zhì)細胞中一些糖酵解基因減少。天冬氨酸,、富馬酸,、α-KG和參與尿素、谷氨酸和三羧酸循環(huán)的其他代謝物在Orai1 cKO星形膠質(zhì)細胞中也呈下降趨勢,，表明Orai1的缺失也會破壞線粒體代謝途徑的穩(wěn)定,。接下來，作者檢測了ATP水平,，以確定受刺激的對照組和Orai1 KO星形膠質(zhì)細胞的代謝需求如何不同,。在受刺激的Orai1 KO星形膠質(zhì)細胞中，ATP水平和ATP/AMP比值顯著降低,，這與Orai1缺失可減少糖酵解途徑的研究結(jié)果相一致,。在Orai1 KO星形膠質(zhì)細胞中，NAD+顯著升高,，而不是其還原形式的NAD,，表明在Orai1 KO細胞中，NAD+ /NADH比值偏向于氧化狀態(tài)的增加,。磷酸化的KO星形膠質(zhì)細胞和NADP+細胞中也減少,，這可能是由于KO-vsWT處理的星形膠質(zhì)細胞中Nadk基因表達減少，這可能表明由于代謝活性增加,，WT細胞對氧化還原反應(yīng)的需求更大,。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)表明,，Orai1的丟失減少了ATP的產(chǎn)生、NAD+的使用,，以及糖酵解,、谷氨酸代謝和尿素循環(huán)中的關(guān)鍵代謝中間體。這些結(jié)果表明SOCE參與了細胞代謝,，并表明Orai1在代謝重編程中起著關(guān)鍵作用,，從而支持星形膠質(zhì)細胞刺激后增加的能量需求。

圖二 Orai1的激活刺激星形膠質(zhì)細胞產(chǎn)生促炎細胞因子

RNA-seq和代謝組學(xué)研究結(jié)果顯示,，Orai1的敲除會損害炎癥和代謝特征,，這促使作者探究Orai1信號是否會誘導(dǎo)促炎細胞因子。通過實時qPCR分析來自WT和Orai1 cKO星形膠質(zhì)細胞的原代海馬星形膠質(zhì)細胞中細胞因子的表達,。該分析顯示,，Orai1通道的激活刺激了多種炎癥細胞因子的轉(zhuǎn)錄，包括經(jīng)典介質(zhì)IL-1α,、IL-33,、IL-6和TNFα以及趨化因子MCP1和MIP-1α。同樣，Orai1在星形膠質(zhì)細胞中刺激前列腺素E2的產(chǎn)生,，這與CRAC通道介導(dǎo)的上皮細胞中這種主要炎癥介質(zhì)的誘導(dǎo)相似,。相比之下，Orai1通道的激活并沒有顯著影響抗炎細胞因子的產(chǎn)生,。如前所述,，與星形膠質(zhì)細胞中Orai1激活相關(guān)的一個關(guān)鍵的促炎激動劑是絲氨酸蛋白酶，凝血酶與Orai1在凝血酶介導(dǎo)的星形膠質(zhì)細胞炎癥反應(yīng)中的作用一致,，BTP-2對Orai1的缺失或藥理抑制損害了該激動劑誘導(dǎo)的許多細胞因子,。促炎細胞因子包括IL-6、TNFα和IL-2的合成在很大程度上是通過激活轉(zhuǎn)錄因子NFAT和NF-κB46,47,。在Orai1 cKO星形膠質(zhì)細胞中,，GFPNFATc3的核移位通過光學(xué)NFAT激活而被消除。這些機制研究結(jié)果表明,，Orai1介導(dǎo)的SOCE刺激NFAT和NFκB依賴基因的表達,，從而驅(qū)動海馬星形膠質(zhì)細胞中促炎細胞因子的合成。

圖三 Orai1 cKO小鼠在LPS刺激后神經(jīng)炎癥標(biāo)志物的表達減少

作者比較了在注射LPS48小時后,，WT和cKO小鼠海馬中神經(jīng)膠質(zhì)反應(yīng)標(biāo)志物GFAP和IBA1在體內(nèi)的表達,。外周LPS暴露會導(dǎo)致海馬中一系列炎癥標(biāo)志物的上調(diào)。在Orai1 cKO小鼠中,，通過免疫染色的腦切片共聚焦顯微鏡檢測的GFAP和IBA1的表達與幼稚的WT小鼠沒有明顯差異,，這表明Orai1的缺失并不直接影響海馬的基線炎癥。然而,，LPS給藥導(dǎo)致WT小鼠海馬幾個區(qū)域的GFAP和IBA1表達增加,，這在兩性中都發(fā)生。相比之下,，Orai1 cKO小鼠中誘導(dǎo)的GFAP和IBA1增加均較低,。因此，星形膠質(zhì)細胞中Orai1的條件缺失會減弱外周炎癥誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞的反應(yīng)性,。因為星形膠質(zhì)細胞產(chǎn)生的C3激活鄰近的小膠質(zhì)細胞,，C3的減少可能解釋了為什么星形膠質(zhì)細胞Orai1 KO小鼠的小膠質(zhì)細胞標(biāo)記物減少，并支持了星形膠質(zhì)細胞與小膠質(zhì)細胞密切協(xié)調(diào),，放大炎癥級聯(lián)的新觀點,。重要的是，在WT小鼠海馬腦組織,，發(fā)現(xiàn)脂糖誘導(dǎo)也增加水平IL-6IL-1α,，兩種細胞因子的神經(jīng)炎癥體內(nèi)，這些增加減弱Orai1cKO小鼠,。綜上所述,，星形膠質(zhì)細胞在LPS刺激后大腦中炎癥細胞因子的放大水平中發(fā)揮了重要作用,，而這種調(diào)節(jié)是由Orai1鈣通道控制的。作者接下來評估了LPS對腦凝血酶水平的影響,。LPS給藥48小時后,，海馬腦裂解液中凝血酶水平明顯升高。此外,，WT和星形膠質(zhì)細胞Orai1 cKO小鼠之間凝血酶水平的升高相似,，表明星形膠質(zhì)細胞中Orai1的缺失對LPS誘導(dǎo)的腦內(nèi)凝血酶的增加沒有影響。SDF1α是一種刺激SOCE36的趨化因子,，在脂多糖處理的小鼠中也有升高的趨勢,。這些結(jié)果表明，LPS增強了體內(nèi)SOCE激活劑,、凝血酶和其他可能刺激星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號通路增強腦炎癥的介質(zhì)的水平,。

圖四 在Orai1 cKO小鼠中，LPS誘發(fā)的星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號通路的增加被消除

作者之前的研究表明,，在星形膠質(zhì)細胞的大腦環(huán)境中,，復(fù)雜的分支和精細過程顯示出自發(fā)和GPCR誘發(fā)的Ca2+波動，這是由Orai1鈣通道調(diào)控的,。為了研究這些Ca2+信號是如何受到外周脂多糖誘導(dǎo)的炎癥的影響,，使用雙光子激光掃描顯微鏡在急性準(zhǔn)備的腦切片中成像Ca2+波動。通過向成年小鼠注射攜帶GfaABC1D星形膠質(zhì)細胞特異性啟動子的AAV5病毒表達載體,，在海馬CA1星形膠質(zhì)細胞中選擇性表達,。在Orai1 cKO腦切片中，凝血酶上調(diào)WT星形膠質(zhì)細胞的Ca2+波動缺失,。作者在LPS給藥18-24小時后檢測了星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號,。LPS處理的WT小鼠顯示，在體細胞以及近端和遠端突起中Ca2+波動的頻率顯著增加,。Orai1 cKO小鼠在LPS刺激后沒有顯示出Ca2+波動頻率的增加,。相反，在這些小鼠中,，星形膠質(zhì)細胞Ca2+的振蕩頻率與鹽堿注射對照組的頻率保持相似。因此,，這些結(jié)果表明,，外周LPS誘導(dǎo)增加了海馬中Orai1介導(dǎo)的星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號，可能是由于凝血酶和LPS誘導(dǎo)的其他介質(zhì)刺激星形膠質(zhì)細胞,，提供全身炎癥和中樞神經(jīng)系統(tǒng)星形膠質(zhì)細胞激活之間的重要機制聯(lián)系,。

圖五 星形膠質(zhì)細胞Orai1 cKO小鼠在LPS刺激后顯示出抑制性突觸傳遞的明顯變化

LPS引起的全身炎癥以Orai1依賴的方式增加了大腦中星形膠質(zhì)細胞Ca2+的波動和炎癥細胞因子。為了探究Orai1調(diào)控星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號通路和腦炎癥對神經(jīng)活動的影響,，作者記錄CA1錐體神經(jīng)元的自發(fā)興奮性和抑制性電流,，分析海馬腦切片突觸傳遞的基本特征,。小鼠腹腔注射單次劑量的LPS，并在注射LPS18-20h后記錄sEPSC和sIPSC的活性,。星形膠質(zhì)細胞的凝血酶激活以一種需要星形膠質(zhì)細胞Orai1的方式增強海馬通道,。這些電生理測量顯示了WT和Orai1星形膠質(zhì)細胞cKO小鼠之間一些LPS和基因型誘發(fā)的差異。首先,，LPS處理的Orai1 cKO小鼠的sIPSCs的振幅和頻率均急劇下降,，而在WT小鼠中沒有出現(xiàn),這與sIPSCs頻率的總體下降相一致。已知炎癥細胞因子如TNFα可以增強興奮性突觸傳遞,，這可能解釋了在Orai1 cKO小鼠中sEPSCs的增強和逆轉(zhuǎn),。電生理結(jié)果表明，Orai1星形膠質(zhì)細胞Ca2+信號通路的缺失會降低LPS給藥后CA1海馬的抑制性張力,。先前的研究表明,，某些類型的快速作用抗抑郁藥在包括海馬在內(nèi)的大腦許多區(qū)域引起抑制性神經(jīng)傳遞的強烈下降，這增加敲除Orai1也可能引發(fā)抗抑郁作用的可能性,。

圖六 星形細胞特異性Orai1 KO小鼠在炎癥誘導(dǎo)的抑郁樣行為模型中受到保護

高水平的循環(huán)細胞因子與人類的一系列負面心理變化有關(guān),，包括活動減少、抑郁和能量損失,。外周炎癥誘導(dǎo)Orai1 cKO小鼠的大腦神經(jīng)炎癥減輕,，接下來評估了LPS處理的Orai1 cKO小鼠中炎癥誘發(fā)抑郁的行為是否受到影響。先前的研究表明,，LPS引起的嚙齒動物炎癥在注射后數(shù)小時內(nèi)引起一般疾病和周圍炎癥,，在注射后6小時左右達到峰值，在注射后24小時消退,，隨后是反映人類抑郁的動機行為的變化,，包括快感缺乏癥和無助感。通過糖水偏好測試快感缺乏癥,，利用小鼠對甜食的先天興趣,，對糖水的偏好降低表明快感缺乏。無助性通常通過強迫游泳試驗和懸尾試驗來評估,，后者測量小鼠與逃跑相關(guān)的活動能力,，作為行為絕望的指標(biāo)。這三種測試都被廣泛用于篩選抑郁癥LPS模型中臨床使用的抗抑郁藥物的療效,。作者使用這些行為范式來探究Orai1通道在介導(dǎo)脂多糖誘發(fā)的小鼠抑郁行為中的作用,。還檢測了WT和cKO小鼠在一般運動、工作記憶,、一般焦慮和學(xué)習(xí)和記憶方面的缺陷,。LPS給藥6小時后，WT和cKO小鼠均表現(xiàn)出疾病跡象,，同時在曠場試驗中運動能力減少,，這在雄性和雌性小鼠中均觀察到,。但注射24小時后消退，表明注射LPS后不久急性疾病就消退,，WT和Orai1 cKO小鼠相似,。與鹽處理的對照組相比，給予LPS的雄性WT小鼠對糖水的偏好顯著降低,。此外,，在LPS處理后的24小時和48小時，與生理鹽水注射的小鼠相比,，用LPS處理的雄性WT小鼠在強迫游泳試驗和懸尾試驗中的不動時間增加,。表明LPS誘導(dǎo)了以快感缺乏癥和無助感為特征的雄性小鼠的抑郁樣行為。然而,， Orai1 cKO小鼠保持了它們對糖水的偏好,。同樣，Orai1 cKO小鼠在LPS后的強迫游泳試驗和懸尾試驗中的不動時間沒有增加,。因此,，星形膠質(zhì)細胞中Orai1的條件缺失可以保護雄性小鼠免受炎癥誘導(dǎo)的快感缺乏、無助和絕望,。在曠場試驗中,，LPS暴露和基因型均沒有導(dǎo)致運動缺陷，表明LPS并沒有減少24小時后的一般運動和探索行為,。此外,，與神經(jīng)元中Orai1的缺失損害學(xué)習(xí)記憶相比，星形膠質(zhì)細胞中Orai1的條件缺失并不影響Y迷宮中的工作記憶表現(xiàn)或恐懼條件反射測試中的聯(lián)想記憶,。因此，星形膠質(zhì)細胞Orai1的缺失對行為抑郁提供了相對特異性的保護,，而不會導(dǎo)致運動,、焦慮、探索行為或認知的整體損傷,。綜上所述，星形膠質(zhì)細胞中的Orai1通道是星形膠質(zhì)細胞介導(dǎo)的抑郁樣行為的重要調(diào)節(jié)因子,。

目前還不清楚星形膠質(zhì)細胞Orai1對炎癥和抑郁的調(diào)節(jié)在雄性和雌性小鼠之間在多大程度上是相似的。在實驗中,，沒有注意到來自雄性或雌性新生小鼠的星形膠質(zhì)細胞之間的基因表達調(diào)控的任何體外差異,。此外,，在體內(nèi)，雌雄成年小鼠在LPS刺激后都顯示了海馬中星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞激活標(biāo)志物的上調(diào),。敲除Orai1可減輕兩性中GFAP和IBA1的上調(diào)。然而,，在行為測試中，雌性在LPS挑戰(zhàn)后沒有表現(xiàn)出與抑郁樣行為相關(guān)的行為,，即在神經(jīng)炎癥誘發(fā)抑郁的嚙齒動物模型中，雌性通常不受影響,。這被認為可能是由于BDNF對雌性嚙齒類動物的強烈保護作用,。因此，需要更多的研究來解決這些性別差異的細胞機制,，靶向星形細胞Orai1可能為緩解兩性的腦炎癥提供了方向。

文章來源

https:///10.1038/s41467-023-40968-6

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