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细胞死亡疾病。2023年5月;14(5): 329.
2023年5月18日在线发布。 数字对象标识:10.1038/s41419-023-05835-8号
PMCID公司:项目经理C10195781
PMID:37202391

神经元和小胶质细胞之间的纳米管隧道允许双向转移α-突触核蛋白和线粒体

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摘要

隧道式纳米管(TNT)促进了长距离接触介导的细胞间通讯。通过TNT进行的物质转移可以从离子和细胞内细胞器到蛋白质聚集体和病原体。在阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病等几种神经退行性疾病中积累的类朊蛋白毒性蛋白聚集体已被证明不仅通过TNT在神经元之间传播,而且在神经营养细胞和神经元胞体之间传播,表明TNT在介导神经元-胶质细胞相互作用中的重要性。小胶质细胞之间也有TNT样结构的报道,然而,它们在神经元-小胶质细胞相互作用中的作用仍然难以捉摸。在这项工作中,我们定量描述了小胶质细胞TNT及其细胞骨架组成,并证明了TNT在人类神经元和小胶质细胞之间形成。我们证明了这一点α-突触核蛋白(α-Syn)聚集体增加了细胞之间的全局TNT介导的连接,以及每个细胞对的TNT连接数。此外,在小胶质细胞之间形成的同型TNT以及神经元和小胶质细胞间形成的异型TNT被证明具有功能,允许两者运动α-Syn和线粒体。定量分析表明α-Syn聚集体主要从神经元转移到小胶质细胞,这可能是一种减轻聚集体负担的机制。相比之下,小胶质细胞最好将线粒体转移到α-与健康细胞相比,同步负载的神经元细胞可能是一种潜在的救援机制。除了描述神经元和小胶质细胞之间新的TNT介导的通讯外,这项工作还使我们能够更好地了解传播神经退行性疾病的细胞机制,从而阐明小胶质细胞的作用。

主题术语:细胞生物学、小胶质细胞、细胞神经科学

介绍

神经退行性疾病(ND)中神经毒性蛋白聚集体的积累,如阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、亨廷顿病(HD),最终导致因有丝分裂后性质而无法稀释聚集体的负荷神经元死亡,以及由于降解途径的损害[1,2]. 虽然细胞有不同的质量控制机制来清除错误折叠的蛋白质,如泛素蛋白酶体系统(UPS)和自噬,但连续产生的聚集物使这些过程在维持蛋白质平衡方面无效[2,]. 除了内在蛋白积累的作用外,神经干细胞中的神经元死亡也由神经胶质细胞以非细胞自主方式调节。星形胶质细胞(主要胶质细胞类型)和小胶质细胞(大脑中的组织-巨噬细胞)对神经退化情况作出反应,将其细胞特性从同源性表型改变为反应性表型,这是神经炎症的特征[4]. 如果超过大脑修复和神经保护的初始阶段,神经炎症可能导致神经退行性变的进展[5].

除了星形胶质细胞外,小胶质细胞也是对受损的神经蛋白质组的主要反应者。蛋白质聚集体的存在促使小胶质细胞向反应性表型发展,继而引发各种直接和间接途径导致神经元死亡[6]. 在PD患者中,多巴胺能神经元的变性始于黑质致密部(SNpc)。在后期,病理扩散并α-在大脑的其他不同区域观察到了同步沉积,这意味着这些聚集物在“类朊病毒”机制中的传播性质[79]. 疾病传播的机制是通过释放α-Syn由神经元聚集,最终与周围神经元结合并被其吞噬[1013]. 除了神经元外,邻近的星形胶质细胞和小胶质细胞也表达细胞表面受体,识别α-Syn作为一种配体,如toll-like receptor 2(TLR2)、Fyn激酶和清道夫受体CD36和FcγRIIB,其驱动NLRP3炎性体驱动的促炎性信号级联[1418]. 因此,不同区域的小胶质细胞最终获得反应性表型。此外,在释放的神经元结合后α-与TLR4类似,据报道小胶质细胞上调NF中p62/SQSTM的表达κ最终导致聚集物自噬清除的B依赖性方式[19].

除了基于分泌物的机制外,最近的体外和体外证据支持隧道纳米管(TNT)参与神经退行性病变的传播。2004年首次描述,TNT是一种薄的、膜包裹的富含F-肌动蛋白的突起,可以长距离连接细胞[20]. 在功能上,TNT能够在连接的电池之间转移不同种类的货物,如钙2+信号、信使和微RNA、溶酶体和线粒体等细胞器、病原体、凋亡信号和ND-蛋白聚集体[21,22]. 淀粉样蛋白,如朊病毒[23],淀粉样蛋白β[24],陶[25],mHTT[26]、和α-同步[27]据报道,在体外共培养和脑切片中,TNT被用作从一个细胞传播到另一个细胞的途径。有趣的是,α-Syn聚集体与溶酶体紧密结合,移动到未感染的神经元细胞并启动聚集体种子[28].α-同纤维也可以在神经元和星形胶质细胞之间传播[29,30]以及神经元和周细胞[31]通过TNT。最近,一项利用小鼠原代小胶质细胞、人类单核细胞衍生的小胶质样细胞和死后人脑样本的优雅工作提供了定性数据,表明TNT的形成允许肿瘤的扩散α-小胶质细胞之间的合成物聚集并导致其最终降解[32]. 然而,为了了解小胶质细胞在神经干细胞进展中的作用,研究TNT是否在神经元和小胶质细胞之间形成,以及在使用TNT时这些聚集物在这些细胞之间移动到何种程度是至关重要的。

使用定量和定性的实时成像方法,我们首次报道了神经元和小胶质细胞系之间存在的功能性TNT,这些TNT允许线粒体和α-合成物在这些细胞之间单向和双向聚集。我们定量评估了此类转移的程度,揭示了α-神经元细胞向小胶质细胞的同步转移,以及线粒体从小胶质细胞向不健康细胞的运动(α-同步)神经元细胞。我们的体外研究结果表明,TNT可能是正常和神经变性情况下神经-小胶质细胞相互作用的主要途径,并支持小胶质细胞的救援功能,从而促进我们对神经-胶质细胞相互关系的理解。

材料和方法

细胞培养和α-同步处理

人类神经母细胞瘤细胞系SH-SY5Y(以下简称神经元细胞)在未分化的条件下,在RPMI1640培养基(Euroclone,ECB2000L)中生长,补充了10%的FCS(Eurobio Scientific,CVFSVF00-01)和1%的青霉素链霉素(Pen-Strep,Gibco,15140-122),如前所述[33]. 人小胶质细胞克隆3(HMC3)细胞系[34]是巴斯德研究所Aleksandra Deczkowska博士赠送的一份礼物,在DMEM培养基(Sigma-Aldrich,D6429)中培养,辅以10%FCS和1%青霉素链霉素。细胞保存在37°C的加湿培养箱中,并在80–90%的汇流下传代。细胞以1:5的比例接种以维持培养,并在接种前进行计数以进行特定实验。

如前所述制备预成型纤维[35]. 简单地说,人类WTα-pRK172载体中的Syn被转化为大肠杆菌BL21(DE3),然后用RP-HPLC纯化。获得的α-然后使用制造商的蛋白质标记试剂盒将合成纤维与AlexaFluor 488或568(Invitrogen)偶联。实验用纤维的制备如前所述[28]. 用于治疗α-Syn,细胞以400000个细胞/孔的密度接种在未涂层的6孔板(Falcon,353046)中,并生长24小时(h)。简单地说,在不添加任何细胞内递送剂的情况下,将荧光团结合的纤维在生长培养基(500 nM)中稀释,并对其进行超声处理(BioBlock Scientific,Vibra Cell 75041)5分钟(80%振幅,脉冲开启:5秒,关断:2秒)。然后将声波纤维添加到细胞中培养16小时。16小时后,用1倍PBS稀释的1:3胰蛋白酶溶液清洗细胞三次,并进一步处理以进行后续实验。

标记TNT

由于TNT的易碎性,处理细胞时要格外小心,以尽量减少物理压力。在细胞达到亚融合(~70%)后,使用两步固定方案来保存TNT,如前所述[36]. 简单地说,细胞首先在室温下用含有戊二醛(GA)的固定剂(0.05%GA、2%多聚甲醛(PFA)、1X PBS中的0.2 M HEPES缓冲液)固定15分钟,然后在RT下用不含GA的第二个固定剂固定15分钟(4%PFA、1X PPS中的0.2M HEPES缓冲液)。在此之后,用1X PBS清洗细胞三次,并用3.33染色质膜μg/mL小麦胚芽凝集素(WGA,Life Technologies,Thermo Fisher Scientific WGA488-#W6748,WGA647-#W32466型)和/或F-肌动蛋白与磷灰石(1:250 v/v,在1X PBS、Invitrogen、Thermo Fisher Scientific、A12380中稀释)在黑暗条件下RT 15分钟。在WT SH-SY5Y神经元和HMC3小胶质细胞的共培养中(图。(图6D),第6天),小胶质细胞被细胞追踪红CMTPX(Invitrogen,C34552号)工作浓度为1μM在37°C下保持30分钟。

保存图片、插图等的外部文件。对象名称为41419_2023_5835_Fig6_HTML.jpg
α-同步暴露增加HMC3小胶质细胞之间的同型TNT,但不会增加SH-SY5Y神经元细胞和HMC3微胶质细胞之间异型TNT。

A类膜染色小胶质细胞(WGA,绿色)显示,在存在α-Syn(下部面板),与对照组(上部面板)相比。B类TNT连接电池的比例。N个 = 3个独立实验,n个 = 对照组252个细胞,n个 = 345个单元格α-Syn组;未配对学生t检验****第页 < 0.0001.C类连接对之间的平均TNT数;N个 = 3个独立实验,n个 = 对照组172对连接线,n个 = 200个连接对α-Syn组;未配对学生t检验****第页 < 0.0001.D类WT SH-SY5Y神经元细胞(N)与负载细胞追踪红(M)的HMC3小胶质细胞共培养。黄色箭头指向连接两种细胞类型的异型TNT。E类负载α-Syn(N)和WT HMC3小胶质细胞(M)。黄色箭头指向异型TNT。F类WT SH-SY5Y细胞N和HMC3小胶质细胞的共培养α-同步(M)。黄色箭头指向异型TNT。G公司视野中TNT连接细胞的比例。N个 = 3个独立的实验,在各自的条形图中提到的每组分析的细胞数量;Tukey的单向方差分析事后的,事后的,ns:无显著性*第页 < 0.05.H(H)TNT占G公司那是异型的。N个 = 3个独立实验,n个 = 等同于G公司; Tukey的单向方差分析事后的,事后的,ns:无显著性。误差线代表平均值±SEM。

免疫细胞化学

细胞生长到亚汇合状态,并用新鲜和加热的细胞骨架缓冲液冲洗一次(60 mM PIPES缓冲液,pH 6.9;25 mM HEPES、10 mM EGTA和2 mM MgCl2(单位:毫升水)。然后用在细胞骨架缓冲液中稀释的0.05%GA和4%PFA在37°C下固定细胞20分钟。用50 mM NH淬火PFA4室温下氯化15分钟,然后用1X PBS清洗三次。然后用0.1%Triton X-100在1X PBS(0.1%PBSTx)中渗透细胞3分钟,然后再用2%牛血清白蛋白(BSA,Sigma-Aldrich,A9647)封闭细胞。α-将Tubulin在2%BSA中稀释(1:500,Sigma-Aldrich,T9026),并将细胞在4°C下孵育过夜。第二天,用0.1%PBSTx清洗细胞三次,并用稀释在2%BSA(1:500,Invitrogen,Thermo Fisher Scientific,A11029)中的AlexaFluor488-结合二级抗体孵育40次然后用0.1%的PBSTx清洗细胞三次,并在黑暗中用AlexaFluor568-结合的Phalloidin(1:250 v/v,在1X PBS中稀释)在RT培养15分钟。用1X PBS清洗细胞三遍,用AlexaFluor647-结合的WGA(3.33μg/mL,在1X PBS中稀释15分钟,在使用Aqua-Poly/Mount(Polysciences Inc.,18606-20)进行安装之前,用1X PBS清洗三次。

转移分析α-同步

评估α-神经元和小胶质细胞之间的同步,采用了共同培养策略。评估神经细胞向小胶质细胞(N→M)的转移,SH-SY5Y细胞负载α-合成纤维(供体细胞),并与HMC3(受体细胞)以1:1的比例在24孔板的盖玻片上共同培养。在另一种检查反向转移的条件下,小胶质细胞是供体细胞,而神经元细胞是受体(M→N)。细胞生长24小时,固定以保存TNT(如前所述),染色以获得膜,并安装在载玻片上。细胞成像和α-沿着光学切片图像的不同z平面手动计数同步阳性受体细胞,以确保α-细胞内有合成颗粒。此外α-每个受体细胞的合成颗粒也被计数。

为了消除以分泌物依赖的方式转移的可能性,供体和受体细胞在不同培养皿中的单细胞培养中生长。将来自供体细胞的条件培养基添加到受体细胞(在24孔板的盖玻片上)中24小时,然后固定和安装。细胞成像和α-计算每个受体细胞的同步点。通过减去分泌控制组的平均值,将来自共培养条件的数据归一化为分泌控制。

线粒体转移试验

评估线粒体从小胶质细胞向神经元细胞的转移(有或无)α-同步(称为M→N(+α-Syn)和M→N(WT))。用MitoTracker Red CMXRos(500 nM,Invitrogen,Thermo Fisher Scientific,M7512)标记小胶质细胞线粒体,在37°C的培养基中稀释30分钟,然后播种进行共培养。神经细胞(WT或+α-同步;受体细胞)与小胶质细胞(供体细胞)以1:1的比例共同培养,并在固定前培养24h。对细胞进行成像,并沿光学切片图像的不同z平面手动计算MitoTracker红阳性受体细胞的数量,以确保计数的颗粒位于细胞内。此外,还计算了每个受体细胞的线粒体颗粒数。

为了控制分泌,将来自单细胞培养中生长的线粒体标记小胶质细胞的条件培养液添加到受体细胞(WT和+α-Syn,生长在24孔板中的不同盖玻片上),固定和安装前24小时。如上所述,从共培养组获得的数据被正常化用于分泌控制α-同步转移分析。

固定细胞成像

使用蔡司LSM900共焦显微镜、40X/1.3NA油物镜和0.8倍变焦获得图像。所有图像都是用“共焦”设置采集的,用于感兴趣区域的最佳像素采样。所有图像都是在16位时采集的,没有任何像素平均值。光学切片以0.45的恒定间隔指定μm、 从单元格底部到顶部。根据盖玻片上细胞的分布情况,采集的光学切片数量在15至30个之间。使用Imaris(9.9.1)对共焦图像进行三维渲染。三维视图的快照如图所示。图4E4E和5G-H公司.

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的移动α-通过TNT从SH-SY5Y合成HMC3细胞。

A类用于评估转移的共同文化战略示意图。B类分泌控制的示意图。C类在共培养系统中,TNT将供体神经元细胞与受体小胶质细胞连接起来(N→M转移)。下部面板是上部面板中装箱的ROI的缩放图像。”N’代表SH-SY5Y神经元细胞,M’代表HMC3小胶质细胞。正交投影面板中的黄色箭头表示α-TNT内的Syn punta。D类供体小胶质细胞与受体神经元细胞共培养(M→N转移)显示两种细胞类型(下面板)之间存在TNT,但没有任何TNTα-其中的突触点(黄色箭头)。E类基于图像的三维连通细胞重建C类.F类阳性受体细胞比例α-在一个共同文化体系中同步punta。N个 = 3个独立实验,n个 = 238个受体细胞,用于M→N转移和n个 = 225个受体细胞用于N→M转移;未配对学生t检验****第页 < 0.0001.G公司编译后的表示α-两种细胞类型之间的同步转移,正常用于分泌控制;Tukey的单向方差分析事后的,事后的; ****第页 < 0.0001.H(H)两组之间的折变差异(M→N和N→M转移)表明α-从神经元细胞到小胶质细胞的突触。对应的估算统计图F类.J型数量的分布模式α-受体细胞中的同步点转移。“0”的值越高,表示没有传输的实例越多。K(K)平均数量α-每个受体细胞的合成颗粒。N个 = 3个独立实验,n个 = 59个SH-SY5Y受体细胞,用于M→N转移和n个 = 160个HMC3受体细胞用于N→M转移;未配对学生t检验****第页 < 0.0001L(左).对应的估算统计图K(K)误差条表示平均值±SEM。

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线粒体从HMC3向SH-SY5Y细胞的运动。

A类用于评估转移的共同文化战略示意图。B类分泌控制的示意图。C类F类神经元-小胶质细胞共培养的单幅中叠图像用细胞膜深红色肌动蛋白跟踪器(灰色假彩色,上面板)和线粒体用MitoTracker红色(橙色假彩色,中面板)染色F-Actin。白色虚线框表示缩放图像的ROI。使用尼康Eclipse Ti2旋转圆盘显微镜采集图像(也可参见图。S4系列). LUT是使用FIJI创建的。”N’代表SH-SY5Y神经元细胞,用绿色箭头表示,M’代表HMC3小胶质细胞,用红色箭头表示。G公司,H(H)基于免疫组化的SH-SY5Y受体细胞小胶质细胞线粒体颗粒三维重建α-Syn聚合H(H),或者没有它们G公司黄色箭头指向SH-SY5Y细胞内的线粒体颗粒。健康-M→N(WT)和不健康-M~N(+)的比例α-线粒体颗粒阳性的Syn)受体细胞。N个 = 3个独立实验,n个 = 630名健康(WT)受体,n=638名不健康(+α-Syn)受体;未配对学生的t检验****第页 < 0.0001.J型Unpaired Student t检验显示,从小胶质细胞接收线粒体颗粒时,两个受体群体之间差异的倍数变化表明,不健康的神经元受体群体增加了6.27倍****第页 < 0.0001.K(K)健康-M→N(WT)和不健康-M~N(+)的比例α-分泌控制中线粒体颗粒阳性的Syn)受体细胞。N个 = 3个独立实验,n个 = 634个健康(WT)受体细胞和n个 = 605不健康(+α-Syn)受体细胞;未配对学生t检验;ns:无显著性。L(左)受体细胞线粒体点状转移数量的分布模式。“0”的值越高,表示没有传输的实例越多。()受体神经元细胞中线粒体颗粒的平均数量。N个 = 3个独立实验,n个 = 181适用于健康(WT)受体和n个 = 446表示不健康(+α-Syn)受体。N个,O(运行)对应于非正常转入的估算统计图和M。误差线代表平均值±SEM。

实时细胞成像

对于活细胞成像,细胞在35 mm玻璃底皿(Ibidi microdish,81156,No.15盖玻片底部厚度0.17 mm)中生长24 h。细胞用CellMask Deep Red Actin追踪染色剂(Invitrogen,A57245型)(在37°C下,将1000倍储备溶液在生长培养基中稀释至1倍工作浓度)30分钟。细胞在成像前用生长介质清洗三次。使用尼康Eclipse Ti2旋转圆盘显微镜,每分钟60X/1.4 NA油物镜,持续30分钟(30帧),获取时间推移图像。光学部分设置为最佳采集状态。

图像分析和统计

使用FIJI图像处理软件分析所有定时和延时图像。为了分析TNT连接细胞的比例,使用ICY软件分析图像(https://icy.bioimageanalysis.org/). 沿着光学切片评估TNT连接的图像,如果在连接两个细胞的中间堆叠中存在一个或多个TNT,则标记细胞连接。从视野来看,计算连接细胞的数量,并将其归一化为该区域的细胞总数,以表示TNT连接细胞的比例。使用以下等式计算并按比例表示异质型TNT:

(N个u个b条e(电子)第页o(o)(f)S公司H(H)S公司Y(Y)5Y(Y)c(c)o(o)n个n个e(电子)c(c)t吨e(电子)d日小时e(电子)t吨e(电子)第页o(o)t吨第页c(c)T型o(o)t吨n个u个b条e(电子)第页o(o)(f)S公司H(H)S公司Y(Y)5Y(Y)c(c)e(电子)c(c)o(o)n个n个e(电子)c(c)t吨e(电子)d日)+(N个u个b条e(电子)第页o(o)(f)H(H)C类c(c)o(o)n个n个e(电子)c(c)t吨e(电子)d日小时e(电子)t吨e(电子)第页o(o)t吨第页c(c)T型o(o)t吨n个u个b条e(电子)第页o(o)(f)H(H)C类c(c)e(电子)c(c)o(o)n个n个e(电子)c(c)t吨e(电子)d日)(T型o(o)t吨n个u个b条e(电子)第页o(o)(f)S公司H(H)S公司Y(Y)5Y(Y)c(c)e(电子)c(c)o(o)n个n个e(电子)c(c)t吨e(电子)d日+T型o(o)t吨n个u个b条e(电子)第页o(o)(f)H(H)C类c(c)e(电子)c(c)o(o)n个n个e(电子)c(c)t吨e(电子)d日)×100
1

利用该方程,将通过TNT相互连接的SH-SY5Y神经元细胞和HMC3小胶质细胞的数量归一化为连接细胞的总数。

使用膜荧光测量TNT的长度,从突起的一端到朝向对侧细胞的一端。通过画一条垂直于突起的线并测量膜荧光强度高斯分布的全宽半最大值(FWHM)来测量TNT的直径。

电影以每秒2帧的速度创建。所有实验均一式三份,每组分析细胞数量,并在图形图例中提及实验。没有进行先验功率分析来计算样本量。在GraphPad Prism 7.0中绘制了图形,并进行了适当的统计测试,如图图例所示。统计显著性用α-值为0.05。为了确定影响大小并计算Cohen’s d,使用估算统计在线工具绘制了Bland-Altmann图(网址:www.estimationstats.com; [37]). 实验者对所进行的分析并非视而不见。

结果

隧道纳米管连接HMC3小胶质细胞

最近的一份报告提供了TNT样结构连接小鼠原代小胶质细胞和人类单核细胞衍生小胶质细胞样细胞的证据[32]. 由于这些结构不存在特定的生物标志物,将细胞突起分类为TNT需要考虑几个严格的标准[36,38]. 因此,我们对TNT的形态学鉴定是指长度为10μm及以上的细胞间膜连接(以区别于丝状伪足)[39,40],悬浮在底层之上(在光学切片图像的中间堆栈中)[41],并含有F-Actin。使用HMC3小胶质细胞系,该细胞系具有良好的抗原特征以及与原代小胶质细胞的功能相似性[34],染色膜和F-肌动蛋白(图。(图1A),1安培),我们发现在正常生长条件下,39.82%的HMC3细胞由TNT连接(图。(图1B),1B年),其大部分长度在10-20μm范围内(图。1C、D)支持体外和死后人脑样本中小胶质细胞之间存在TNT的定性证据[32].

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小胶质细胞之间存在隧道状纳米管。

A类HMC3小胶质细胞膜用小麦胚芽凝集素(WGA,灰色)和F-肌动蛋白(阴茎倍体素,红色)染色。底部面板表示在上部面板中用方框描述的缩放区域。黄色箭头指向TNT。B类正常生长条件下TNT连接细胞的比例(N个 = 3个独立实验,n个 = 111个感兴趣的地区)。C类观察到的TNT长度。D类基于长度的TNT分布。小于10的结构μ我们的分析中排除了m。N个 = 3个独立实验,n个 = 200 TNT用于C类,D类.

小胶质细胞TNT仅含有F-肌动蛋白,或与α-管蛋白

尽管“薄的”或“典型的”TNT被描述为富含多种细胞类型(如SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞)的F-肌动蛋白丝[33]据报道,“厚”TNT中存在微管和F-肌动蛋白,这是髓源性细胞的特征(“薄”TNT:直径<700 nm;和“厚”TNT:直径>700 nm)[42,43]. 有趣的是,TNT细胞骨架组成的定量评估表明,与髓细胞不同,大多数(70.74%)小胶质细胞TNT仅含有F-肌动蛋白(图。2A、E). 然而,29.26%的TNT中含有微管和F-肌动蛋白,尽管程度不同。在25.56%的TNT中,微管的存在是在非常低的水平上检测到的,只有在数字过度曝光时才能明显地看到(图。第2天,第E天). 在2.22%的病例中,TNT仅包含结构部分的微管(图。2C、E)而1.48%的TNT在整个长度上都含有微管(图。2B,E). 由于Tubulin的存在增加了TNT的厚度,我们接下来分析了这些结构的直径,并观察到仅含F-Actin的TNT的平均直径约为292 nm,而同时含有F-Actin和Tubulin-的TNT平均直径约585 nm。在仅含有部分长度的Tubulin的TNT中,相对于TNT中仅含有F-Actin的末端(约314 nm),朝向Tubulin-末端的直径更大(约430 nm)。低水平Tubulin的TNT也具有较高的平均直径约470 nm(图。(图2F)。2楼). 综上所述,这些结果表明小胶质细胞可以通过“薄”和“厚”TNT连接。

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小胶质TNT的细胞骨架成分。

A类D类免疫染色α-微管蛋白(绿色),随后用指骨苷罗丹明(红色)染色F-肌动蛋白,膜用WGA647(品红色)染色。A类仅含F-肌动蛋白的TNT。B类含有F-肌动蛋白和α-管蛋白。C类部分含有TNTα-管蛋白。D类TNT含量低α-管蛋白。黄色箭头(A-D)指向TNT。E类具有不同细胞骨架成分的TNT的比例。N个 = 3个独立实验,n个 = 270辆TNT。F类具有不同细胞骨架组成的TNT的直径。N个 = 3个独立实验,n个 = 分析了173个TNT;Tukey的单向方差分析事后的,事后的; ns:无显著性***第页 < 0.001, ****第页 < 0.0001. 误差线代表平均值±SEM。

小胶质细胞形成的TNT含有线粒体

尽管有这些形态特征,细胞间连接被归类为TNT的一个基本要求是它们能够在连接的细胞之间转移货物。据报道,通过TNT在不同细胞类型和实验条件之间转移的主要细胞内成分是线粒体(参见[22]). 为此,连接两个小胶质细胞的含F-肌动蛋白的TNT中存在线粒体颗粒(图。3A–D级)支持这些TNT的功能性质,并通过现场成像进行了进一步评估(见下文,补充电影).

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功能性TNT在小胶质细胞之间形成。

A类小胶质细胞F-肌动蛋白染色的单层中叠图像,带有细胞膜深红色肌动蛋白跟踪器(灰色假彩色;左侧面板)和线粒体MitoTracker绿色(橙色假彩色,中间面板)。B类框中ROI的缩放图像A类.C类,D类框中ROI的缩放图像B类使用Nikon Eclipse Ti2旋转圆盘显微镜获取图像快照。LUT是使用FIJI创建的。

神经细胞和小胶质细胞之间形成功能性TNT

尽管有报道称,在同型培养中,TNT在神经元之间以及小胶质细胞之间形成,但尚未评估其在神经元和小胶质细胞间的存在。为此,在本研究中,我们使用人类神经母细胞瘤细胞系SH-SY5Y,一个成熟的体外模型来研究不同(病理)生理条件下的TNT[25,33,44]. 使用SH-SY5Y细胞和HMC3小胶质细胞之间的共培养策略(图。(图4A),4A级)并将其正常化为分泌介导的转移(图。(图4B,4B类(如材料和方法中所述),我们可以观察到连接两个细胞群的TNT。为了评估这些TNT的功能,我们首先用α-同步并测量这些细胞在不同时间点的聚集摄取能力(图。S1A、B). α-与其他时间点相比,SH-SY5Y和HMC3细胞的纤维水平增加(图。S1C-D系列). 然而,与HMC3小胶质细胞相比,SH-SY5Y神经元细胞的纤维丰度相对较高(图。第1版E). 接下来α-将含有Syn的SH-SY5Y细胞(供体细胞)与HMC3小胶质细胞(受体细胞)共培养24 h,然后测量细胞转移率α-通过定量共焦显微镜将聚集物合成小胶质细胞(参见材料和方法)(图。4C、F、G,S2A公司,上部面板)。我们发现57.85%的受体细胞对α-同步穿孔(N→M传输)(图。(图4F)。4楼). 然而,当α-同型小胶质细胞是供体细胞,幼稚神经元细胞是受体(图。S2A公司下面板)(M→N转移),转移范围限制在10.02%,减少5.87倍(图。4D、F、G、H). 正交投影(图。(图4C)4摄氏度)以及TNT连接供体神经元细胞和受体小胶质细胞的三维重建(图。(图4E,第四版,补充电影1)证明存在α-TNT内同步。Cohen的d值很高(图。(图4I),4I型),差异的影响大小很大。此外α-与神经元细胞相比,小胶质细胞中每个受体细胞的突触点高3.04倍(图。4J、K、L). 73.53%的受体神经元细胞没有接受任何α-供体小胶质细胞的Syn,而受体小胶质细胞中只有28%为阴性α-同步信号(图。(图4J)。4J型). 重要的是,这些值都通过分泌控制进行了标准化(参见材料和方法)(图。(图4B,4B类,S2B型). 然而,从神经元到小胶质细胞的基于分泌物的转移范围仅略微增加(1.23倍)(图。S2E公司)支持细胞间接触介导的途径与N→M聚集转移分泌的相关性。

直接证明跨国公司正在有效转移α-我们使用活共焦显微镜观察共培养细胞之间的同步聚集。通过这种方法,我们可以观察到α-在30分钟内,突触从神经元细胞向小胶质细胞在TNT中移动(图。S3A、B,补充电影2). 总的来说,这些数据表明负重的神经元细胞主动传递α-主要使用TNT介导的转移将Syn聚集到小胶质细胞。然而,事实并非如此,这表明小胶质细胞可能通过接受这些聚集物而发挥神经保护作用,而不是促进聚集物扩散。

小胶质细胞为神经元细胞提供线粒体

根据我们对α-同步转移,我们接下来从小胶质细胞的角度探讨了TNT的可能功能意义,以及小胶质细胞是否可以使用TNT优先将材料转移到SH-SY5Y细胞。一种重要的病理后果α-神经元细胞中的Syn积累是线粒体损伤。根据小胶质细胞为神经元细胞提供神经保护功能的假设,我们测试了小胶质细胞补充线粒体的可能性α-同步加载SH-SY5Y细胞。我们将标记有MitoTracker Red CMXRos(供体细胞)和SH-SY5Y的HMC3细胞与(+α-Syn)或不带(-α-同步;WT)纤维(受体细胞)(图。(图5A)。5A级). 将小胶质条件培养基添加到两组受体神经元细胞中,使其正常化,以进行分泌控制(图。(图5B,第5页(如材料和方法中所述)。如上所述,在神经元细胞和小胶质细胞(灰色连接,伪彩色)之间观察到功能性TNT,小胶质细胞内含有线粒体(橙色颗粒,伪彩色)(图。5C–F级,S4A系列). 我们观察到线粒体转移到α-与WT SH-SY5Y细胞(7.33%)相比,Syn负载(45.95%)(图。5I、J、N). 另一方面,两组的分泌介导的转移具有可比性(图。(图5K)。5公里). 除了受体细胞的百分比较高外,我们还观察到α-与WT细胞相比,Syn-loaded神经元细胞(图。5G、H、L、M、O)(平均3.34个线粒体颗粒α-与WT细胞中的1.98个颗粒相比,Syn负载细胞)。此外,只有30.1%的α-Syn负载细胞没有接收到任何线粒体信号,而71.27%的WT细胞没有接收任何线粒体信号(图。(图5L)。5升). 使用延时成像,我们可以显示TNT中线粒体从小胶质细胞到α-同步加载神经元细胞(图。S4系列,补充电影). 有趣的是,我们还可以观察到α-从神经元细胞到小胶质细胞的Syn聚集,以及从小胶质细胞到神经元细胞的线粒体沿着同一管道聚集(图。第5章,补充电影4). 综合起来,双向传输α-Syn和线粒体表明物质在连接的细胞之间的积极分布,其中不健康的SH-SY5Y细胞从小胶质细胞获得代谢支持,而小胶质细胞又接受“有毒”聚集物。

α-Syn聚集体增加同型TNT的形成

最后,我们询问聚集物的存在是否会影响SH-SY5Y神经元细胞和HMC3小胶质细胞之间TNT的形成,如前面所示的CAD神经元细胞[27]. 因此,我们将这两种细胞类型与α-评估TNT形成前同步16小时。与控制条件相比(图。(图6A-第6页-顶部面板),我们发现TNT连接的小胶质细胞在α-同步治疗组(图。(图6A第6页底部面板,面板,6B)。6亿). 除了连接的单元格百分比之外,出现的一个重要问题是,单元格之间的连接数量是否也会增加α-同步曝光。我们发现,当细胞用α-Syn(图。(图6C),6摄氏度)表明小胶质细胞在暴露于α-合成。同样,SH-SY5Y细胞在含有α-Syn(图。S6A、B系列). 然后,评估α-异型TNT上的Syn,一种细胞类型负载α-Syn与其他类型的细胞共同培养α-同步(Nα-合成 + 重量; 和N重量 + α-合成; 图。6E、F),并与在缺乏α-同步(N重量 + 重量; 图。图6D)。第6天). 归一化为连接电池的百分比(图。(图6G,6克,等式。1在材料和方法中),异型TNT的数量不受α-Syn(图。(图6H)。6小时). 这与我们之前的α-同步传输分析(图。(图4),4)这表明,聚集物的升高转移并不需要伴随着异型连接的增加。

讨论

TNT代表相同或不同类型细胞之间的直接通信方式。首次报道在PC12细胞之间形成,随后又发现其他几种细胞类型形成TNT,支持这些长距离膜通道在健康和疾病中的潜在参与[20,22,23,41]. TNT在开发早期发挥了关键作用[45]以及神经退行性疾病,典型表现为晚年[46]. TNT介导的蛋白质聚集体从不健康细胞向幼稚细胞的转移通过在受体细胞中播种聚集体来帮助病理学的传播[28]. 在平行切线上,TNT还可以通过与连接的细胞共享聚集物以最终降解,从而促进细胞中聚集物的稀释。我们之前已经证明神经元转移α-通过TNT将原纤维降解为星形胶质细胞[29]. 除了星形胶质细胞外,小胶质细胞也是ND病理及其进展中主要但有争议的参与者。一方面,小胶质细胞可以吞噬和降解α-神经元释放的合成纤维防止神经退行性变[19]另一方面,这些细胞也可以直接(通过释放基质金属蛋白酶)和间接(通过分泌神经毒性因子)影响神经元的死亡[6]. 有趣的是,一项优雅的研究表明,小胶质细胞彼此之间形成了TNT样的连接,使得α-小胶质细胞之间的突触聚集负荷及其随后的降解[32]. 这些数据可能是一把双刃剑:如果小胶质细胞转移α-尽管小胶质细胞有降解聚集物的能力,但Syn会聚集到神经元,这将有助于病理学的传播。另一方面,如果聚集物从神经元向小胶质细胞单向转移,那么这些细胞将发挥保护作用。因此,出现了一个问题,即神经元和小胶质细胞之间TNT介导的细胞间通讯的程度如何,以及后者在ND病理学预防和/或传播中的作用。异型TNT有助于不同细胞类型(如神经干细胞和神经胞浆细胞)之间聚集物的转移[29,31]. 然而,没有研究评估TNT在神经元和小胶质细胞之间的存在和作用。

使用HMC3细胞系,我们的定量数据表明,在正常生长条件下,培养的小胶质细胞中约有40%由TNT连接,突出了这些结构的潜在重要性(图。1A、B). 大多数TNT的长度从10μm到20μm不等,其中一些延伸到40μm(图。1C、D). 尽管以前的报告表明髓细胞起源的细胞具有厚的TNT[42,47],我们发现约70%的连接是薄的,含F-Actin的TNT,而只有约30%是厚的,含F-Actin的微管(图。2A–E型). 此外α-微管蛋白的存在被分类为“低”、“部分”或“完全”。只有极低比例的TNT具有较高的Tubulin。根据我们目前对“厚”和“薄”TNT的理解,含有Tubulin的TNT比只含有F-Actin的TNT直径更大[41](图。(图2F)。2楼). 然而,TNT的直径测量仅与荧光显微镜近似。用电子显微镜技术进行的超微结构分析将更好地代表这些连接的接近实际直径[44]. Scheiblich及其同事以前的数据证实了F-肌动蛋白的主要存在,这些数据表明敲除肌动蛋白聚合调节物ROCK2显著增加了α-小胶质细胞间的同步聚集[32]. 另一方面,有趣的是将细胞骨架组成与TNT的形成联系起来,以及微管蛋白聚合物的存在是否表明这些结构的成熟,和/或TNT的转移能力。

这里我们表明小胶质细胞TNT具有功能性,因为它们含有线粒体颗粒并支持它们在细胞之间的转移(图。3A–D级,补充电影). 这些数据支持最近的研究结果,表明α-小胶质细胞间TNT的Syn聚集[32]. 了解小胶质细胞是否参与聚集物向神经元细胞的扩散或通过向上摄取发挥保护作用α-我们对这两种细胞类型的共培养进行了定量和定性显微镜研究。我们证明HMC3小胶质细胞和人类神经元SH-SY5Y细胞之间形成功能性TNT。转移的定量评估α-Syn聚集体显示,从小胶质细胞到神经元细胞的聚集体转移程度相当低(图。4F、G、H)而我们观察到从神经元到小胶质细胞的转移增加了5.87倍(图。(图4H)。4小时). 我们观察到SH-SY5Y神经元细胞在其小体积内具有相对较高的聚集体丰度(与HMC3小胶质细胞相比是2.18倍),因此需要采用耗散负载的机制,这加强了聚集体转移的有效偏差(图。第1版E). 虽然SH-SY5Y细胞在α-在合成水平上,5.87倍的转移增加表明这些神经细胞对此作出了积极的努力。鉴于小胶质细胞的主要功能是吞噬和降解致病物质,我们推测这可能是神经元细胞降低其总负荷的一种方式,这表明小胶质细胞可以对神经元发挥保护作用,类似于我们之前对星形胶质细胞的提出的作用[29]而不是促进病理学的传播。最近的发现支持了这一假设,即受体小胶质细胞参与了α-Syn从供体细胞接收后聚集[32]. 此外,我们证实并扩展了先前的研究结果,即小胶质细胞在细胞内存在α-Syn聚合。不仅全球连通性增加(图。(图6A-第6页-但连接两个电池的TNT数量也增加了2.19倍(图。(图6C)。6摄氏度). SH-SY5Y神经元细胞在聚集物存在时也增加了它们之间的TNT连接(图。S6A、B系列)类似于先前对CAD神经元细胞的观察[27]. 然而,两个细胞之间异型连接的数量不受α-Syn(图。(图6H),6小时)这暗示了一种聚合转移机制,其中细胞利用预先存在的连接,转移的几率增加。这也可能表明同源和异型TNT形成的差异调节,前者对聚集物的存在敏感,这一假设仍有待验证。见证人:α-同向聚集,小胶质细胞的分子结构从同向静止状态变为反应状态,促炎基因上调,包括趋化基因[32]. 我们推测,小胶质细胞这种促炎状态的驱动可能会潜在地改变这些细胞的细胞骨架动力学,使它们能够形成更多的细胞间连接,类似于HIV-1感染巨噬细胞的情况[48]和树突状细胞[49]. 这种连接的(病理)生理优势是交换聚集物以最终清除。α-因此,Syn-介导的连接增加可能是一个剂量依赖性(α-Syn浓度)或时间依赖性(潜伏期)的过程,这两个过程都需要进一步阐明。

接下来,我们提出了小胶质细胞是否会使用TNT作为供体细胞,为健康或不健康的神经细胞提供材料的问题。我们观察到线粒体颗粒从小胶质细胞转移到“不健康”SH-SY5Y的数量显著增加(6.27倍)α-同纤维,与“健康”纤维相反(不含聚集体)(图。5G、H、I、J). 有趣的是,在PC12神经元细胞中,有报道称线粒体从健康细胞转移到不健康的紫外线照射细胞以挽救后者的表型[50]. 此外,通过TNT将功能线粒体从健康周细胞转移到缺氧和缺糖(缺血)星形胶质细胞,可使其免于凋亡[51]. 因此,我们推测这可能是挽救α-同步负荷细胞。有趣的是,我们观察到α-Syn和线粒体(补充电影4),提示两个细胞之间的积极相互作用协同工作,以恢复稳态平衡。使用相关FIB-SEM对神经元TNT进行超微结构分析,确定了连接对立细胞并由N-Cadherin结合在一起的单个TNT束(iTNT)。这种iTNT可以平行或反平行排列[44]. 因此,保持相反极性的iTNT可以促进我们对双向货物移动的观察,从而允许双向材料转移。或者,这可以通过包含肌动蛋白和微管的单一、厚TNT介导。

总之,我们的工作首次证明了神经元和小胶质细胞系之间存在功能性TNT,允许以选择性方式进行物质转移。蛋白质聚集体从神经元细胞向小胶质细胞的转移具有高度的偏向性,而线粒体的转移方向最好相反,因此支持小胶质细胞在神经干细胞中的保护作用的观点。这为利用小鼠和人类原代细胞进行进一步研究铺平了道路,这将为后续深入了解神经退行性病变传播的机制,特别是神经干细胞中小胶质细胞的参与机制奠定基础。

补充信息

补充材料(16K,docx)

图S1(4500万tif)

图S2(3900万tif)

图S3(26M,tif)

图S4(1500万tif)

图S5(23M,tif)

图S6(1700万英镑)

补充电影1(998K,移动)

补充电影2(1.4M,移动)

补充电影3(861K,移动)

补充电影4(735K,移动)

再现性检查表(160万,pdf)

致谢

我们感谢膜交通和发病机制实验室的所有成员进行了深入的讨论,感谢塞万·贝利安和罗伯托·诺塔里奥·曼扎诺对手稿的批判性阅读。我们感谢巴斯德研究所Aleksandra Deczkowska博士提供HMC3细胞。我们感谢巴斯德研究所膜交通和病理学研究室行政人员Reine Bouyssie的持续支持。RC由巴斯德巴黎大学国际博士项目提供支持。这项工作得到了法国帕金森(Soutien de l’Association France Parkinson 2021)、Don Explore AD(Programme Explore de l’Institut Pasteur)、ANR(ANR-20-CE13-0032-01)和FRM(FRM-EQU202103012630)的支持。

作者贡献

CZ构思了手稿的构思。TN和MH准备α-这项工作中使用了合成纤维。RC和CZ设计了实验。RC进行了实验并分析了数据。RC准备了手稿的初稿。RC和CZ审查并编辑了手稿。CZ获得了这笔资金。

数据可用性

所有与手稿有关的数据都以主图或补充图的形式提供。可根据要求提供数据。

竞争性利益

作者声明没有相互竞争的利益。

脚注

Pier Giorgio Mastroberardino博士编辑

出版商备注Springer Nature在公布的地图和机构关联中的管辖权主张方面保持中立。

补充信息

在线版本包含补充材料,请访问10.1038/s41419-023-05835-8。

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