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这篇研究发现星形胶质细胞 GPC5 对突触成熟至关重要，其缺失影响突触结构和功能，还与多种神经疾病相关。
引言
神经元突触在发育过程中的形成和成熟，对整个生命周期的神经回路功能至关重要。从幼稚的新生突触转变为成年稳定的成熟突触，涉及突触前和突触后终端的结构变化，以及神经递质受体组成的改变。在大脑皮层中，兴奋性谷氨酸能突触的功能成熟，以 GLUA2 亚基并入 α- 氨基 - 3 - 羟基 - 5 - 甲基 - 4 - 异恶唑丙酸（AMPA）型谷氨酸受体（AMPARs）为标志，这使得受体对钙不可渗透。从结构上看，随着突触的加强和稳定，不成熟的丝状伪足样树突棘会成熟为更稳定的蘑菇样结构。这些过程最终形成更稳定的突触连接，构成了成年大脑中持久的皮质回路。然而，驱动突触结构和受体组成发育转变，以及维持成年大脑中稳定连接的机制，尚未完全明确。
星形胶质细胞作为一类神经胶质细胞，能产生多种分泌蛋白，调节突触的形成和成熟。例如，血小板反应蛋白 1 和 2 可诱导结构不成熟的兴奋性突触形成，而 Hevin 则调节突触后棘的成熟。磷脂酰肌醇蛋白聚糖 4（GPC4）和 6 通过增加 GLUA1 AMPARs 的水平，诱导新生谷氨酸能突触的形成，Chordin 样 1（CHRDL1）通过招募 GLUA2 AMPARs 促进突触成熟。
GPCs 属于糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定的硫酸乙酰肝素蛋白聚糖，在哺乳动物中有 6 个家族成员（GPC1 - GPC6）。它们可以以膜结合形式存在，也可从膜上裂解产生可溶性形式，由星形胶质细胞产生的可溶性 GPCs 具有促突触形成的作用。鉴于星形胶质细胞 GPC4 和 GPC6 在早期发育中的促突触形成作用，研究人员将目光聚焦于 GPC5，探究其是否在调节突触方面发挥作用。GPC5 在大脑中广泛表达，且在大脑皮层突触成熟和完善的时期，其在星形胶质细胞中的表达增加，并在成年大脑中持续高表达。本研究以小鼠视觉皮层（VC）为研究对象，探讨 GPC5 在突触成熟和维持中的作用。在初级 VC 中，兴奋性突触前输入主要来自皮质内和丘脑皮质轴突，二者可通过突触前末端表达的 VGLUT1（皮质内输入）和 VGLUT2（丘脑皮质输入）加以区分。丘脑输入在 VC 的兴奋性连接中占比小，但具有轴突终扣大、单个终扣存在多个突触后靶点的特点。皮质内和丘脑皮质突触在成熟过程中，都会发生 GLUA2 AMPAR 亚基的发育性整合，这一过程在出生后第 7 天（P7）至 P16 期间，以层依赖的方式进行。正常的 VC 发育涉及丘脑皮质突触的完善，在关键期，双眼优势建立，双眼匹配的神经元在双眼区（BZ）进行调整，这一时期也是可塑性增强的阶段。
研究方法
- 构建小鼠模型：通过将携带 Gpc5 基因 floxed 等位基因的小鼠，与在星形胶质细胞中表达 cre 重组酶的小鼠（Gfap - cre 73.12）杂交，构建了星形胶质细胞特异性 Gpc5 条件性敲除（cKO）小鼠模型，并对其进行验证。
- 检测基因和蛋白表达：运用 RNA 测序、单分子荧光原位杂交（smFISH）、免疫组化等技术，检测 Gpc5 基因在不同细胞类型和大脑区域的表达情况，以及突触相关蛋白的表达和定位。
- 观察突触结构和功能：使用电子显微镜（EM）观察丘脑皮质突触的超微结构；通过全细胞膜片钳记录技术，检测皮质内突触的功能；在细胞培养实验中，研究可溶性 GPC5 对突触形成的影响。
- 评估可塑性：对小鼠进行单眼摘除（ME）手术，通过检测即刻早期基因 Arc 的表达，评估视觉剥夺后的可塑性变化。
研究结果
- Gpc5 的表达特征：Gpc5 在发育中的大脑中，由星形胶质细胞和少突胶质前体细胞（OPCs）表达，在 P7 - P14 期间，星形胶质细胞中 Gpc5 mRNA 表达上调，并在成年期（P28 和 P120）持续高表达，其表达水平约为 Gpc4 和 Gpc6 的 10 倍。在成年小鼠大脑中，Gpc5 在额叶皮层的星形胶质细胞中高表达，在小脑星形胶质细胞中表达较低。
- Gpc5 cKO 小鼠突触的变化
- 突触结构不成熟：在关键期（P28），Gpc5 cKO 小鼠的丘脑皮质突触表现出结构不成熟的特征，如突触前终扣体积减小（尤其是多突触终扣）、突触小泡数量减少、突触后密度（PSD）表面积减小，且多突触终扣处的突触后伙伴数量增加。皮质内突触在 L2/3 层缺乏 GLUA2，且功能受损，表现为 AMPA 介导的自发兴奋性突触后电流（sEPSCs）幅度显著降低。
- 突触成熟延迟：到 P120 时，Gpc5 cKO 小鼠在关键期检测到的突触改变得到纠正，表明缺乏星形胶质细胞 GPC5 会延迟而非阻止突触成熟。
- 可塑性增强：在成年期（P120），Gpc5 cKO 小鼠在单眼剥夺后，表现出增强的双眼优势可塑性，而野生型小鼠在相同条件下可塑性有限。
- GPC5 对突触的调节作用：细胞培养实验表明，可溶性 GPC5 虽不足以诱导突触形成，但能增加视网膜神经节细胞（RGC）的突触前位点数量；在体内实验中，过表达 GPC5 可增加 Gpc5 cKO 小鼠皮质内突触的 GLUA2 水平，但对丘脑皮质突触前终扣体积无影响。
研究结论
- GPC5 对突触成熟的重要性：本研究明确了星形胶质细胞 GPC5 对兴奋性突触成熟和稳定的调节作用。在缺乏星形胶质细胞 GPC5 的情况下，丘脑皮质突触的结构成熟和完善受损，皮质内突触的 GLUA2 AMPARs 水平降低。这表明 GPC5 是突触成熟所必需的，其缺失会导致突触连接不稳定，影响神经回路功能。
- 与神经疾病的关联：GPC5 功能失调与多种神经系统疾病相关，如阿尔茨海默病、额颞叶痴呆、精神分裂症等。在这些疾病中，GPC5 表达降低，突触功能异常。本研究结果提示，进一步研究 GPC5 在这些疾病中的作用机制，可能为开发新的治疗策略提供方向。
- 对可塑性的调节：在成年大脑中，GPC5 似乎参与抑制可塑性，缺乏 GPC5 会使成年小鼠在视觉剥夺后，出现更强的可塑性和神经元重塑。这一发现为理解大脑可塑性的调控机制，提供了新的视角，也为相关神经系统疾病的治疗提供了潜在的干预靶点。
- 研究局限性与展望：本研究使用的是星形胶质细胞特异性组成型敲除小鼠模型，无法确定成年 cKO 小鼠中增强的可塑性，是由于 GPC5 的持续作用，还是发育性回路改变所致。此外，研究主要集中在 VC，未来需要进一步探究 GPC5 在其他脑区的作用。同时，确定 GPC5 发挥作用的具体神经元受体，以及其在体内的活性形式，将有助于深入理解其调节突触的分子机制。
总之，本研究揭示了星形胶质细胞 GPC5 在突触发育和可塑性中的关键作用，为神经科学领域对突触形成和成熟机制的理解，提供了重要的理论依据，也为相关神经系统疾病的研究和治疗开辟了新的思路。
