Science | 组蛋白5-羟色胺化修饰与嗅觉加工

撰文 | Qi

星形胶质细胞与神经元活动密切相关，已证明在发育中的大脑皮层中，神经元活动改变能影响分化中的星形胶质细胞突触发生相关基因的表达，但是否会在成熟星形胶质细胞中诱发类似反应还不得而知。星形胶质细胞-神经元交流的核心部分是神经递质信号，前者可以表达谷氨酸和γ-氨基丁酸（GABA）受体和转运体，其激活可以引起钙依赖性反应，进而影响神经电路活动，比如谷氨酸转运体维持胞外谷氨酸水平的能力是药瘾行为、昼夜节律等行为所必需的，而GABA信号的中断会诱发运动功能受损和学习记忆能力缺陷【1, 2】。此外，星形胶质细胞还能表达大量的能对去甲肾上腺素等做出反应的神经调节剂（neuromodulators）受体【3】，但它们究竟如何响应和处理神经调节线索仍不清楚。

为了解决这些问题，来自美国贝勒医学院的Benjamin Deneen团队在Science杂志上发表了一篇题为 Induction of astrocytic Slc22a3 regulates sensory processing through histone serotonylation 的文章，他们发现神经元活动诱导星形胶质细胞广泛的转录改变，对嗅球中的活动依赖性靶点进行筛选，确定了Slc22a3调节嗅球的感觉处理，其缺陷会导致星形胶质细胞形态复杂性降低、钙活性减弱。就机制而言，Slc22a3调节5-羟色胺进入嗅球星形胶质细胞，协调组蛋白5-羟色胺化（H3-5HT），从而调节GABA相关基因的表达和嗅觉行为，组蛋白3.3（H3.3Q5A）突变体会引起H3-5HT减弱、GABA生物合成基因表达减少和释放减少，最终导致嗅觉障碍。总之，这项工作揭示了星形胶质细胞如何整合神经调节剂信号来控制神经递质释放以进行感觉处理的新机制。

为了了解神经元激活如何影响星形胶质细胞的转录反应，作者在小鼠进行脑室内注射能泛表达于神经元的pAAV-Gq-DREADD，约8周龄时腹腔注射CNO（激活表达Gq-DREADD的神经元）或生理盐水（分别表示为Gq-CNO和Gq-saline），30分钟后收集大脑，并从多个脑区分选出神经元和星形胶质细胞以进行RNA-seq和GO分析。两组的嗅球星形胶质细胞基因表达存在广泛变化，对转录因子（TFs）进一步分析发现Sox9和Sox2两种TFs在Gq-CNO大脑中的DNA结合能力增强，其中，Sox9对表现出更大的DNA结合能力，且已知对嗅觉回路处理至关重要【4】，因而以Sox9为切入点继续研究。通过同时对上述差异表达基因与Sox条件性敲除小鼠（Sox9-cKO）的嗅球星形胶质细胞的RNA-seq进行分析，发现Sox9靶基因Slc22a3（膜运输蛋白，参与5-羟色胺、多巴胺和去甲肾上腺素等神经调节剂的释放和摄取）在Gq-CNO处理的嗅球星形胶质细胞中上调2.22倍，而在Sox9-cKO中表达减少76%。有趣的是，将小鼠暴露于气味剂后，嗅球中星形胶质细胞Slc22a3表达量明显增加58.9%。为了确认它对星形胶质细胞功能和相关神经回路的影响，作者构建了嗅球中星形胶质细胞Slc22a3特异性敲除的小鼠，气味行为学检测显示Slc22a3-cKO小鼠在气味辨别能力上存在缺陷。

Slc22a3缺陷为何会破坏嗅觉功能呢？作者对对照组和Slc22a3-cKO组嗅球分选的星形胶质细胞进行RNA-seq。首先，星形胶质细胞和神经元的交流依赖于它们空间位置的接近，这与胶质细胞形态的复杂精细程度相关，共聚焦成像和三维重建显示Slc22a3-cKO星形胶质细胞形态复杂性下降，且与形态相关基因也明显下调。另一方面，钙离子活性相关基因也在Slc22a3-cKO星形胶质细胞中表现出明显下调。此外，他们还观察到Slc22a3-cKO嗅球星形胶质细胞中离子型谷氨酸受体Grin2a和代谢型5-羟色胺受体Htr2c明显下调。已知钙离子活性会受到神经递质和神经调节剂的影响【3】，作者将嗅球切片分别浸泡于5-羟色胺或谷氨酸中，观察到两者诱导的Slc22a3-cKO星形胶质细胞中的钙事件的振幅和频率都有所降低。

图2. 神经元活动依赖性的星形胶质细胞转录和表观遗传变化调控嗅觉加工

之前的工作指出5-羟色胺修饰组蛋白（H3-5HT）从而参与调控表观遗传（专家点评Nature丨你的情绪信号或可印记到组蛋白上——首次报道组蛋白五羟色胺化修饰及其生物学功能）【5】，考虑到星形胶质细胞内的5-羟色胺水平降低，作者用H3-5HT特异性抗体以监测组蛋白的5-羟色胺化是否受到影响。与对照相比，Slc22a3-cKO嗅球星形胶质细胞中的H3-5HT水平降低了18%，而神经元没有差异。随后，作者进行H3-5HT的ChIP-seq，并将结果与上述RNA-seq数据进行比较，星形胶质细胞Slc22a3缺失后，与GABA信号相关的GO terms几乎都消失，这些基因包括GABA的各种受体亚型和GABA生物合成酶Maob和Aldh1a1。为了确认H3-5HT在其中的作用，作者构建了一个H3.3Q5A突变体，将被5-羟色胺修饰的谷氨酰胺残基突变为丙氨酸以削弱组蛋白的5-羟色胺化，随后评估了星形胶质细胞形态和神经元电生理学。与表达H3.3的对照组相比，表达H3.3Q5A的星形胶质细胞形态复杂性下降，且强直性GABA电流减少92.97%。最后，基于GABA信号和嗅球神经元回路功能之间的联系，作者研究了H3-5HT的抑制如何影响嗅觉处理，表达H3.3Q5A小鼠的气味检测能力下降且气味辨别能力受损，再现了在Slc22a3-cKO小鼠中观察到的表型。

总之，这项研究揭示了神经元活动如何协调星形胶质细胞的转录和表观遗传反应，以及星形胶质细胞如何调节神经递质释放以执行感觉处理。需要注意的是，这项研究发现Slc22a3作为即早基因在暴露于气味后的嗅球星形胶质细胞中被特异性诱导，因此，破译星形胶质细胞中的这些神经调节信号机制在多大程度上直接或通过表观遗传来调节神经递质信号，以及在不同行为状态下的调节形式十分重要。

原文链接：https://doi.org/10.1126/science.ade0027

制版人：十一

参考文献

1. M. D. Scofield, P. W. Kalivas, Astrocytic dysfunction and addiction: Consequences of impaired glutamate homeostasis. Neuroscientist 20, 610–622 (2014). doi: 10.1177/1073858413520347; pmid: 24496610

2. X. Yu et al., Reducing astrocyte calcium signaling in vivo alters striatal microcircuits and causes repetitive behavior. Neuron 99, 1170–1187.e9 (2018). doi: 10.1016/j.neuron.2018.08.015; pmid: 30174118

3. D. Sardar et al., Mapping astrocyte transcriptional signatures in response to neuroactive compounds. Int. J. Mol. Sci. 22, 3975 (2021). doi: 10.3390/ijms22083975; pmid: 33921461

4. K. Ung et al., Olfactory bulb astrocytes mediate sensory circuit processing through Sox9 in the mouse brain. Nat. Commun. 12, 5230 (2021). doi: 10.1038/s41467-021-25444-3; pmid: 34471129

5. L. A. Farrelly et al., Histone serotonylation is a permissive modification that enhances TFIID binding to H3K4me3. Nature 567, 535–539 (2019). doi: 10.1038/s41586-019-1024-7; pmid: 30867594

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