Астроцит

Nature, том 616, страницы 764–773 (2023 г.) Процитировать эту статью

23 тыс. доступов

164 Альтметрика

Подробности о метриках

Астроциты и нейроны активно взаимодействуют в мозге. Идентификация протеомов астроцитов и нейронов важна для выяснения белковых сетей, которые определяют их соответствующий вклад в физиологию и заболевание. Здесь мы использовали клеточно-специфическое и субкомарт-специфическое биотинилирование, зависящее от близости1, для изучения протеомов стриарных астроцитов и нейронов in vivo. Мы оценили цитозольные и плазматические мембранные отсеки астроцитов и нейронов, чтобы выяснить, как эти клетки различаются на уровне белков в их сигнальном аппарате. Мы также оценили субклеточные компартменты астроцитов, включая концевые ножки и тонкие отростки, чтобы выявить их субпротеомы и молекулярную основу важнейших сигнальных и гомеостатических функций астроцитов. Примечательно, что SAPAP3 (кодируемый Dlgap3), который связан с обсессивно-компульсивным расстройством (ОКР) и повторяющимся поведением2,3,4,5,6,7,8, был обнаружен на высоких уровнях в стриарных астроцитах и ​​был обогащен специфическими астроцитами. субкомпартменты, где он регулирует организацию актинового цитоскелета. Кроме того, эксперименты по генетическому спасению в сочетании с поведенческим анализом и молекулярными оценками на мышиной модели OCD4, лишенной SAPAP3, выявили определенный вклад астроцитарного и нейронального SAPAP3 в повторяющиеся и связанные с тревогой фенотипы, подобные ОКР. Наши данные определяют, как астроциты и нейроны различаются на уровне белков и основных сигнальных путях. Более того, они показывают, как субпротеомы астроцитов различаются между физиологическими субкомпартментами и как механизмы SAPAP3 астроцитов и нейронов способствуют фенотипам ОКР у мышей. Наши данные показывают, что терапевтические стратегии, нацеленные как на астроциты, так и на нейроны, могут быть полезны для изучения при ОКР и, возможно, других заболеваниях головного мозга.

Астроциты являются преобладающим типом глии в центральной нервной системе и эволюционировали совместно с нейронами9. Астроциты являются жизненно важными компонентами мозга10 и, как и нейроны, имеют морфологию и свойства, которые различаются в зависимости от региона мозга11,12,13,14. И астроциты, и нейроны широко вовлечены в заболевания головного мозга15, включая психические расстройства. Однако мало что известно об общих или отдельных астроцитарных и нейрональных молекулярных механизмах и их соответствующем вкладе в области мозга, имеющие отношение к определенным психическим заболеваниям или фенотипам у мышей.

Нейроны и астроциты взаимодействуют анатомически и физиологически, в том числе внутри полосатого тела16,17. В вопросах физиологии и заболеваний в большинстве исследований астроциты и нейроны сравнивались с использованием нейропатологических методов, физиологии, клеточных маркеров или анализа экспрессии РНК. Что касается РНК, хотя она и неоценима, взаимосвязь между уровнями экспрессии РНК и уровнями белка18 очень сложна; поэтому крайне важно идентифицировать специфические белковые механизмы для нейронов и астроцитов19. Более того, чтобы понять основы биологии астроцитов и нейронов, необходимо выявить идентичность белков и их различия в морфологически неповрежденных клетках. Процедуры диссоциации клеток и сортировки клеток с активированной флуоресценцией (FACS) нарушают большинство астроцитарных и нейрональных процессов и особенно повреждают астроциты, которые обычно реагируют на тканевой стресс20,21,22, что препятствует использованию этих методов для протеомики. В результате протеомы астроцитов и нейронов не были напрямую измерены, сравнены или использованы для понимания их вклада в соответствующие фенотипы в физиологии или психических заболеваниях у любого вида.

Полосатое тело — самое большое ядро ​​базальных ганглиев, группы подкорковых ядер, участвующих в движении, действиях и различных нервно-психических состояниях23,24,25. Полосатое тело содержит обширные контакты между астроцитами и нейронами, 95% из которых представляют собой DARPP32-положительные средние шипиковые нейроны (MSN)16. Поскольку астроциты теряют свою сложную морфологию после диссоциации (расширенные данные, рис. 1a–d), мы охарактеризовали состав специфичных для типа клеток протеомов (астроцитов и нейронов) и компартментов (цитозольных и плазматических мембран (PM)) с использованием генетически нацеленной биотинлигазы. (BioID2; расширенные данные, рис. 2a,b), доставленные in vivo в полосатое тело с использованием аденоассоциированных вирусов (AAV; расширенные данные, рис. 2b,c). Этот метод не использует диссоциацию клеток или FACS. BioID2 биотинилирует белки по свободным остаткам лизина в присутствии биотина1,26. После характеристики цитозольных конструкций LCK-BioID2, нацеленных на BioID2 и PM, в клетках HEK-293 (расширенные данные, рис. 3), мы селективно доставили BioID2 или LCK-BioID2 в астроциты или нейроны, используя усеченный промотор GFAP (GfaABC1D) или промотор SYN1 человека27 и AAV с предпочтительным астроцитарным (Astro) или нейронным (Neuro) тропизмом соответственно (рис. 1a и расширенные данные, рис. 2c – h). Astro BioID2, Astro LCK-BioID2 и белки, которые они биотинилируют, были обнаружены только в S100β-положительных кустистых астроцитах, в том числе в пределах концевых ножек (расширенные данные, рис. 4a–d). И наоборот, Neuro BioID2, Neuro LCK-BioID2 и их биотинилированные белки были обнаружены в DARPP32-положительных нейрональных соматах и ​​нейропилях, что отражало их аксональную и дендритную экспрессию соответственно (расширенные данные, рис. 4e-h). Вестерн-блот-анализ подтвердил биотинилирование (расширенные данные, рис. 2e-h и 4; P <0,01 в каждом случае), что позволило идентифицировать белок с помощью жидкостной хроматографии-тандемной масс-спектрометрии (ЖХ-МС/МС).