星形胶质细胞在神经回路发育中的新作用

分泌信号控制兴奋性突触的形成

星形胶质细胞指导突触形成的第一个证据来自一项使用纯化啮齿动物视网膜神经节细胞（RGC）的研究。该模型已被证明是一个非常有用的系统，可以在其中研究突触发育，因为RGC可以在没有胶质细胞和其他细胞类型的情况下进行免疫纯化和培养数周^26，27在完全没有胶质细胞的情况下，RGC形成很少的突触⁵令人惊讶的是，当在有星形胶质细胞存在的情况下培养，或在由星形胶质细胞释放的可溶性信号调节的培养基中培养时，这些神经元可以形成十倍以上的兴奋性突触，突触功能增强⁶.稍后在体外研究证实，星形胶质细胞也可以指导啮齿动物海马神经元的突触形成^三，28，皮层神经元²⁹，脊髓运动神经元³⁰，小脑浦肯野细胞³¹和人类神经元^29，32。

控制突触发育的星形胶质细胞分泌的信号是什么？第一个被鉴定的突触原性星形胶质细胞分泌分子是与胆固醇结合的载脂蛋白E^10，33作者表明，胆固醇通过增加单个突触的释放能力来增强培养RGC的突触前分化；它通过促进突触小泡的合成和成熟来做到这一点³³。

此外，血小板反应蛋白（TSPs，也称为THBSs）最近被确定为促进突触形成的关键星形胶质细胞分泌信号之一²(图1). TSP是由培养的星形胶质细胞分泌并由星形胶质细胞大量表达的大型细胞外基质蛋白体内特别是，两种TSP亚型TSP1和TSP2可以促进结构正常的兴奋性突触的形成²此外，星形胶质细胞条件培养液中TSP1和TSP2的免疫耗竭抑制了星形胶质细胞的突触诱导作用。在发育过程中，星形胶质细胞表达高水平的TSP1和TSP2，缺乏这两种蛋白的小鼠的兴奋性突触明显少于野生型小鼠²强调TSP在突触形成中的关键作用体内虽然TSP1和TSP2的表达在突触发生高峰后下调，但在成人大脑中表达密切相关的蛋白TSP4²这就提出了一个问题，即星形胶质细胞分泌的TSP4是否参与成人大脑的突触发生。有趣的是，比较基因表达谱显示，TSP4在人脑中的表达比在非人类灵长类大脑中的表达要高得多³⁴这表明TSP表达水平越高，人类可能会形成更多的突触，从而增强人脑的学习和适应能力(方框1).

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图1

星形胶质细胞通过分泌几个分子来指导结构突触的形成

星形胶质细胞分泌血小板反应蛋白（紫色圆圈），据报道，血小板反应蛋白与神经胶质蛋白相互作用₂δ-1电压门控钙通道亚单位和整合素诱导兴奋性结构突触组装。星形胶质细胞也分泌戊聚糖（橙色圆圈）和SPARC（红色圆圈）。Hevin促进兴奋性突触的形成，而SPARC拮抗Hevin的突触功能。神经氨酸酶和神经原蛋白都被确定为与hevin的结合伙伴，SPARC可以与整合素结合。人们认为，血栓反应蛋白和hevin与跨突触粘附分子结合并聚集，以诱导结构正常但突触后沉默的兴奋性突触的形成。虚线箭头表示动作电位（AP）的传播，它诱导突触小泡释放谷氨酸。NMDAR，NMDA受体。

TSP如何促进神经元突触的形成？TSP的神经元受体之一是α₂电压门控钙通道δ-1亚基³⁵.TSP通过其2型表皮生长因子样重复序列到von Willebrand因子类型神经元α的一个结构域₂δ-1受体触发一系列细胞事件，导致突触黏附和支架分子向突触部位募集³⁶TSP还可以与其他突触分子相互作用，包括整合素³⁷和神经胶质细胞²⁸两者对突触的形成都至关重要。考虑到TSP可以与突触上的许多分子相互作用，TSP可能通过调节几个不同的信号通路来促进突触的形成。目前，TSP与突触蛋白相互作用下游的信号通路尚不确定，尽管蛋白激酶A似乎对这些过程很重要³⁸。

除了TSP外，星形胶质细胞还通过释放hevin（也称为SPARCL1）和SPARC来影响兴奋性突触的发育，后者是TSP的成员基质细胞SPARC家族⁴(图1). 与TSP1和TSP2不同，前者主要在发育中的大脑中表达，但随后被下调，星形胶质细胞在成人大脑中继续表达hevin和SPARC。两者都有在体外和体内，hevin可以促进兴奋性突触的形成，而SPARC拮抗hevin的突触功能⁴除了调节突触数量外，hevin还增加了突触的大小。突触前和突触后的黏附分子，即神经细胞黏附素和神经原，已被证明与hevin相互作用，并且敲低神经原的表达可消除hevin诱导的突触发生（S.Singh、A.Pamukcu和C.Eroglu，个人通信）。这些数据表明，hevin通过聚集跨突触粘附分子诱导兴奋性突触的形成。

总之，这些发现表明兴奋性突触的结构组装可以由不同的星形胶质细胞分泌蛋白介导。鉴于TSP和hevin表达的时间进程，TSP可能在突触诱导中起主要作用，而hevin可能调节突触的形态成熟和维持。

SPARC对突触形成的负调控提出了一个问题，即SPARC是否可以分解预先存在的突触或使其恢复到不成熟状态，从而促进神经回路内的可塑性。与这一观点一致，最近的一项研究表明，神经活动可以通过星形胶质细胞调节SPARC的表达，而SPARC缺失小鼠在突触可塑性方面存在缺陷³⁹本研究的作者提出，SPARC与兴奋性突触的整合素受体相互作用，以控制AMPA受体的表达水平，从而调节兴奋性突触体的强度。

尽管TSP和hevin在促进兴奋性突触发生中起着关键作用，但还需要额外的星形胶质细胞分泌信号来诱导突触成熟和功能性，因为TSP和hevin诱导的突触结构正常，但突触后沉默^2，4最近的证据表明，星形胶质细胞分泌额外的信号，诱导AMPA受体插入突触后末端，以便将这些未成熟的突触转化为功能成熟的突触体¹星形胶质细胞在突触成熟中的作用将在后面讨论。

星形胶质细胞控制抑制性突触形成

在发育过程中，抑制性突触先于兴奋性突触形成，它们最初形成一个兴奋性网络，被认为对神经回路的发育起决定性作用（见REF。40). 除了促进兴奋性突触的形成外，星形胶质细胞还促进抑制性突触形成。它们通过分泌分子来调节突触前和突触后的分化来达到这一目的。在有星形胶质细胞存在或星形胶质细胞调节的培养基中培养发育中的海马神经元可显著增加A型GABA（GABA）的振幅和密度_A类)受体电流⁴¹与这一发现一致，星形胶质细胞条件培养基也增加了海马培养物中GABA能轴突的长度和分支以及抑制性突触的数量^三，42因此，星形胶质细胞释放的可溶性因子可以调节突触前和突触后分化，并调节GABA的表达_A类发育抑制性突触的受体。目前，负责促进抑制性突触形成的星形胶质细胞分泌蛋白的分子特性尚不清楚。有趣的是，TSP强烈诱导兴奋性突触发生，但并不负责诱导抑制性突触形成。TSP耗竭不会阻止抑制性突触发生^三这表明星形胶质细胞释放不同的分子，独立地促进兴奋性或抑制性突触的形成。虽然还需要进一步的工作来确定星形胶质细胞控制抑制性突触形成的确切机制，但最近的工作⁴³强调了星形胶质细胞介导的抑制性突触发生调控的重要性。在这项研究中，作者从遗传上耗尽了脊髓中特定的星形胶质细胞发育群体，并发现在没有星形胶质细胞的情况下，运动神经元与有星形胶质细胞时相比，具有更多的抑制性突触和更少的兴奋性突触⁴³这表明星形胶质细胞需要支持脊髓中兴奋性和抑制性突触的适当形成和/或维持。

突触成熟过程中的星形胶质细胞分泌信号

一种生物化学方法已被用来鉴定一类星形胶质细胞分泌的分子，这些分子足以诱导功能性兴奋性突触的形成¹这些分子被证明是glypicans，它是硫酸乙酰肝素蛋白聚糖家族。Glypicans通过以下方式固定在细胞质膜的细胞外侧糖基-磷脂酰肌醇键，可以被内源性磷脂酶切割，从而释放蛋白质。将glypicans应用于纯化的RGC足以增加谷氨酸能突触事件的频率和幅度¹glypican介导的突触活性增加是通过增加AMPA受体GluA1亚单位的表面表达和聚集来实现的¹(图2). 此外，星形胶质细胞表达glypcan 4和glypcan 6体内，其中glypian 4在海马中高表达，glypian 6在小脑中高表达¹glypicans在突触成熟中的重要性也得到了证明体内Glypican 4缺陷小鼠突触形成缺陷，发育中海马的兴奋性突触后电流振幅显著降低，AMPA受体向突触的募集减少¹这些数据表明，星形胶质细胞释放不同的因子，包括TSP、hevin、SPARC和glypicans，具有时空特异性，以控制神经回路的形成和成熟。

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图2

星形胶质细胞分泌信号诱导突触成熟

星形胶质细胞分泌分子将沉默的突触（缺少AMPA受体的突触）转化为功能性突触。在静息电位下，NMDA受体（NMDAR）几乎不通过任何电流（未显示）来响应谷氨酸的激活（蓝色圆圈）。这是因为NMDAR受到电压依赖型镁块的影响。因此，NMDAR依靠AMPAR的激活来产生足够的去极化，从而允许阳离子流经通道并产生兴奋性突触后电流（如虚线箭头所示，这反过来会产生沿轴突传播的动作电位（AP））。星形胶质细胞分泌glypicans（绿色圆圈）以增加AMPAR的GluA1亚单位的表面水平和聚集，从而诱导兴奋性突触功能。glypicans的神经元受体尚未确定，但在黑腹果蝇表明蛋白酪氨酸磷酸酶受体白细胞抗原相关受体（LAR）可能参与。

星形胶质细胞分泌的glypicans如何将沉默的突触转化为功能性突触？蛋白质酪氨酸磷酸酶受体白细胞抗原相关受体（LAR；也称为PTPRF）是一种有吸引力的神经受体，用于翻译蛋白聚糖的作用。glypican在物种间是保守的，glypican4与Dally-like在黑腹果蝇⁴⁶在苍蝇大脑中，类Dally-like与LAR结合并通过LAR发出信号，以促进兴奋性突触的成熟⁴⁷与这一观点一致，哺乳动物海马神经元中LAR的去除降低了它们向突触募集AMPA受体的能力⁴⁸这些研究为glypcan如何诱导突触成熟提供了有趣的见解，但还需要进一步的工作来确定glypcan的神经元受体。

星形胶质细胞释放突触消除信号

最近的研究报告称，星形胶质细胞可以控制突触的消除。视网膜膝状体系统中的突触是研究突触精细化和消除的成熟模型系统。在这个系统中，星形胶质细胞释放的信号诱导补体成分C1q的表达，这是经典补码级联，在出生后整个大脑的神经突触中⁷⁷(图3). 特别是，未成熟的星形胶质细胞诱导C1q的表达，并且C1q（立方厘米）在出生后第5天（P5）和P10之间，RGC中的mRNA表达最高，P30显著降低（REF）。77). 据此，视网膜膝状体回路中大多数突触的精细化和消除发生在P25之前⁷⁸。

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图3

胶质细胞依赖C1q消除突触

星形胶质细胞分泌一种未知信号（紫色），上调突触补体成分C1q的表达。C1q的表达触发下游经典补体成分（包括C3和C3b）的激活。小胶质细胞是大脑的常驻免疫细胞，表达补体受体。小胶质细胞补体受体的激活触发了突触的吞噬作用。有趣的是，C1q依赖性吞噬作用受神经活动调节，因此提供了一种机制，通过这种机制，产生微弱突触信号的弱突触（以红色动作电位（AP）表示）可以在神经回路重塑期间被清除。

在先天免疫系统中，C1q最明确的作用是调理吞噬免疫细胞清除多余碎片或细胞⁷⁹缺乏C1q或下游补体级联蛋白C3的小鼠未能执行突触消除，这是由视网膜膝状体连接缺乏解剖学精细化和外侧膝状体神经元的视网膜神经过度支配决定的⁷⁷此外，C1q缺陷小鼠的突触消除失败导致突触连通性增强和癫痫活动增强，表明这种突触消除途径在神经回路发育中具有关键作用。

这些发现提出了一个问题，即互补标记突触是如何从神经回路中消除的。在大脑中，小胶质细胞是常驻免疫细胞，它们大量表达C1q和C3受体⁸⁰与这一观点一致，小胶质细胞在损伤后吞噬运动神经元的突触终末⁸¹考虑到C1q作为识别要移除的细胞的分子信号，C1q可能通过相同的机制标记弱突触以进行移除。最近证实了这一假设，即小胶质细胞吞噬突触前终末，在某些情况下，还吞噬并列的突触前和突触后结构⁸²有趣的是，当神经活动受阻时，小胶质细胞优先吞噬减弱的输入，这表明小胶质细胞修剪受神经活动的调节⁸²此外，破坏小胶质细胞特异性修剪导致眼睛特异性分离持续不足体内⁸²与这一观点一致，小胶质细胞功能异常和补体级联激活与中枢神经系统的神经变性有关。在青光眼小鼠模型中，一种与RGC丢失和胶质增生相关的神经退行性疾病，C1q和C3高度上调并沉积在视网膜突触上，C1q缺乏或小胶质细胞“失活”提供了显著的神经保护⁷⁷因此，小胶质细胞或补体（或两者）的功能障碍可能直接涉及与突触丢失、功能障碍和发育相关的疾病。这些研究表明，星形胶质细胞诱导补体蛋白的表达以促进突触剪除，并且该途径在神经回路的发育和胶质细胞介导的疾病的进展中具有关键作用。未来的工作将需要确定星形胶质细胞释放的诱导突触补体蛋白表达的信号，并确定神经活动如何调节补体蛋白表达。