不同模式的GABA对嗅觉适应和神经元老化产生不同影响

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嗅觉适应 神经元老化 胶质细胞 GABA 神经保护

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背景介绍

嗜酸性氨基丁酸（GABA）是大脑中主要的抑制性神经递质，通过两种不同的模式——短暂性的（phasic）和持续性的（tonic）——调节神经元的活动性和可塑性。然而，关于GABA在神经胶质细胞中的传递机制和生理功能仍然理解有限。胶质细胞，特别是星形胶质细胞，能够通过释放神经胶质递质（如GABA、谷氨酸、D-丝氨酸和ATP）来调节突触稳态和调控行为。然而，尽管有研究表明神经胶质细胞能够合成和释放GABA以维持神经兴奋-抑制平衡等功能，但对其具体机制的理解依旧不完善。

为了进一步探讨这一问题，本研究选择了模式生物线虫（Caenorhabditis elegans），其神经系统由仅302个神经元和56个胶质细胞组成，与哺乳动物的胶质细胞在起源、发育、形态和功能上有相似之处。研究聚焦于线虫的AMSH（Amphid Sheath）胶质细胞及其对ASH（Amphid Single Cilium）的调控作用，探讨胶质GABA传递对嗅觉适应和神经元老化的影响。

论文来源

这篇文章由来自浙江大学医学院脑科学与脑医学研究院的Hankui Cheng、Du Chen、Xiao Li以及其他合作研究者完成，发表在Neuron期刊的2024年5月1日号（第112卷，1473-1486页）。主要通讯作者为Lijun Kang，联系方式为kanglijun@zju.edu.cn。

研究详细流程

实验流程

在本研究中，作者采用了一系列精细的实验手段来揭示AMSH胶质细胞的GABA信号在ASH神经元中的作用：

  1. 遗传筛选和突变体构建：

    • 通过遗传筛选，研究人员发现GABA通过AMSH胶质细胞中的Bestrophin-9/-13/-14阴离子通道扩散，主要激活邻近的ASH神经元中的代谢性GABAB受体（GBB-1）。
    • 创建并验证了一系列缺失GABA合成基因（如unc-25）的突变体和RNAi干扰株，以解析GABA在胶质-神经元传递中的作用。

  2. 钙成像：

    • 采用钙成像技术来记录ASH神经元的钙响应，从而评估老化过程中ASH神经元的兴奋性变化。

  3. 行为学测试：

    • 使用1-辛醇（1-octanol）诱导的嗅觉规避行为（避免行为开始的时间）来评估老化线虫在不同年龄阶段的嗅觉适应能力。观察到1-辛醇和异戊醇（IAA）的行为和生理响应在不同条件下发生显著变化。

  4. 形态学分析：

    • 使用显微镜观察ASH神经元树突中形成的珠样结构，以评估老化相关的形态变化。发现这种珠样结构会随着线虫年龄的增加而显著增多，尤其是那些带有黑暗、无绿色荧光蛋白（GFP）中心的泡状病变，这提示了可能与细胞凋亡相关。

  5. 特定基因恢复实验：

    • 通过在突变体AMSH胶质细胞中恢复相关基因（如unc-25、bestrophins等），评估这些基因对ASH神经元的调控作用。

主要结果

  1. GABA对老化的调控：

    • 在unc-25突变体和Bestrophin突变体中观察到ASH神经元的过度兴奋。恢复unc-25或Bestrophins能够缓解这种过度兴奋，表明GABA对ASH神经元兴奋性和老化有调节作用。

  2. GABA对嗅觉适应的调控：

    • 发现通过钙触发的囊泡释放（UNC-47/VGAT）而不是通过Bestrophins通道释放的GABA，对ASH神经元的嗅觉适应起关键作用。

  3. 受体的区别作用：

    • 代谢性GABAB受体（GBB-1）在ASH神经元中的主要作用是调控老化过程，而离子型GABAA受体（LGC-38）则参与了ASH神经元的嗅觉适应。

  4. 对ASH神经元形态的影响：

    • 在老化过程中，缺失GABA信号导致ASH神经元树突中珠样结构显著增加，该现象可通过恢复unc-25在AMSH胶质细胞中的表达得以逆转。

研究结论

通过解析GABA在AMSH胶质细胞和ASH神经元中的传递机制，研究揭示了GABA在调节线虫短期嗅觉适应和长期神经元老化中的不同作用模式。这一研究不仅为理解胶质细胞在神经功能中的作用提供了新的视角，也为开发促进健康老龄化和神经稳态的策略提供了潜在的靶点。

研究亮点

  1. 双模式GABA传递：

    • 研究首次揭示了胶质细胞GABA释放的两种模式（短暂性和持续性）在调控神经元适应和老化中的不同角色。

  2. 胶质-神经元相互作用机制：

    • 通过遗传筛选和特定基因操作，研究进一步阐明了胶质细胞通过不同途径释放GABA以及其对相邻神经元受体的差异性激活，这一机制的揭示为理解神经网络中的兴奋-抑制平衡提供了新的视角。

  3. 神经保护作用：

    • 研究表明，持续性的GABA释放能够通过激活GABAB受体保护ASH神经元免受老化引起的过度兴奋和退行性病变，这为神经退行性疾病的研究提供了新的思路。

  4. 潜在应用：

    • 研究提出，针对胶质-神经元GABAergic传递的调节可能作为促进健康老龄化和维持神经稳态的终身策略，具有重要的应用科学价值。

这项研究为我们展现了胶质-神经元相互作用中的复杂性及其在维持神经系统稳定性中的关键角色，是神经科学领域的一项重要进展。