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精神分裂症研究新进展:通过影响小胶质细胞导致行为的异常

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脑科学世界 2021-03-01 10:35

精神分裂症易感因子--人类补体C4A的过表达促进小鼠体内突触丢失及行为改变

精神分裂症是一种病因不明的遗传性神经精神疾病,影响1%的成年人。人类基因组在人群水平上对精神分裂症风险的最大影响主要来自补体成分4 (complement component 4,C4)基因,其中C4AC4B编码两种C4亚型。虽然C4A和C4B的多肽序列只有4个氨基酸不同,但它们的异构体与独特的化学靶标表现出不同的结合特性。在人类大脑中C4A的表达增加与精神分裂症的风险增加有关。

精神分裂症发病期间,会出现灰质树突棘的大量丢失,提示突触连接的减少可能是导致行为和认知缺陷的原因之一。然而,目前还不清楚大脑皮层的突触丢失在何时出现,以及突触连接减少与等位基因及其编码的蛋白质之间的关系是什么样的。波士顿儿童医院及哈佛医学院Melis Yilmaz人近日在Nature Neuroscience发文探讨了C4A如何在体内塑造大脑环路并影响精神分裂症的发生。

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为了研究人类C4基因位点与精神分裂症风险之间的遗传发现,作者构建了两个表达人类C4A或C4B的小鼠模型,以及一个过表达C4A的小鼠模型,以检测大脑中人类C4A和C4B的功能差异,并探究C4A过表达是否会病理性的影响大脑发育。在该模型中,作者将可变拷贝数的C4A和C4B基因导入小鼠基因组,研究其在体内的生理效应。

为了观察hC4沉积并研究hC4A/−和hC4B/−小鼠体内突触改变过程,作者选择了研究视网膜膝状体系统。因为发育小鼠中的视觉系统不仅被广泛用作描绘突触消除的模型,还被用于研究补体系统在突触修剪中的作用。在新生小鼠中,其两眼的视网膜神经节细胞(retinal ganglion cells,RGCs)背外侧膝状核(dorsolateral geniculate nucleus,dLGN)内的同一个中继神经元上形成突触。P5(Postnatal day 5)被认为是剪枝最旺盛的时期,此时C3沉积最多。因此作者选择了在这个时间点探究C4A和C4B在RGC突触末端沉积的差异性。

他们先将dLGN切片进行了hC4囊状谷氨酸转运体2 (Vglut2)共定位分析。与hC4B/−小鼠相比,可以观察到在LGN中C4 mRNA表达正常化后,hC4A/−小鼠中C4+斑点与Vglut2+突触共定位的数量更多。

这些结果表明,C4A和C4B在大脑中具有不同的结合能力,C4A与突触的结合水平高于C4B。

在突触修剪方面,人类C4A比C4B更有效

为了确定过度的突触丢失是否伴随着小胶质细胞的吞噬增加,作者给小鼠注射荧光CTB,研究P5小鼠dLGN中小胶质细胞对突触物质的吞噬。重要的是,来自hC4A/A小鼠的小胶质细胞比hC4A/−小鼠吞噬更多的突起,且在每组吞噬密度相似。这表明,增加C4A表达可诱导每个小胶质细胞更大程度的突触吞噬和dLGN中过度的突触细化。

增加的C4A拷贝数通过小胶质细胞的吞噬诱导过度的突触修剪

为了测试hc4A过表达小鼠的行为改变,作者使用一系列常见行为测试对10- 12周大的小鼠进行了检查。经过三箱交互试验后,C4 - / -和hC4A/ -小鼠表现出与WT小鼠相似的社交倾向。然而,hC4A/A小鼠出现了社交行为的改变,没有表现出与小鼠而不是物体互动的偏好。为了测量焦虑水平,老鼠被放置在旷场实验中,通过在中心区域直立次数来衡量与野生型、C4 - / -和hC4A/ -小鼠相比,hC4A/A小鼠表现出了焦虑样的行为。

人类C4A过表达改变小鼠行为

这些发现表明,C4A的过度表达及其下游效应可能与小鼠在社交、情绪和认知环境中的异常行为有关,这与精神分裂症患者经历的负面症状非常相似。

结论

本项研究构建了两个表达人类C4A或C4B的小鼠模型,以及一个过表达C4A的小鼠模型,发现人类C4A结合的突触比C4B更有效,且C4A可以挽救C4基因敲除小鼠的视觉系统突触缺陷。然而,敲除C4的小鼠皮质突触数量正常,这表明,正常发育过程中突触修剪并不需要补体。此外还发现,在小鼠中过表达C4A降低了皮层突触密度,增加了小胶质细胞对突触的吞噬,改变了小鼠的行为。

作者通过区分C4A和C4B在大脑中的作用,探讨了C4A过表达是否影响大脑发育和突触修剪,发现了C4A和C4B在发育中的大脑中有不同的作用,且C4A过表达会影响小胶质细胞的吞噬、突触修剪,进而致脑环路和行为的异常。这些发现强调了C4A在突触修剪和大脑发育中的重要性,对进一步理解病理性过度修剪机制对如精神分裂症等疾病提供了新见解。

参考文献

Yilmaz, M., Yalcin, E., Presumey, J. et al. Overexpression of schizophrenia susceptibility factor human complement C4A promotes excessive synaptic loss and behavioral changes in mice. Nat Neurosci 24, 214–224 (2021).

编译:Sheena(brainnews创作团队)

校审:Simon(brainnews编辑部)

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