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2023年10月5日美国加州大学旧金山分校精神病学和行为科学系/威尔神经科学研究所神经学系Marta Barbara Wisniewska研究团队在Molecular Psychiatry杂志发表“Astrocytic β-catenin signaling via TCF7L2 regulates synapse development and social behavior”，揭示了星形细胞β-连环蛋白信号通过TCF7L2调节突触发育和社会行为。
Wnt/β-连环蛋白通路包含多个高度可信的风险基因，这些基因与神经发育障碍有关，包括自闭症谱系障碍。然而，它在脑细胞类型和发育阶段中普遍存在的作用使得定义其对神经回路发育和行为的影响尚不清晰。在这里，作者发现TCF7L2是Wnt/β-连环蛋白通路的关键转录效应因子，在出生后星形胶质细胞成熟过程中发挥细胞自主作用，并影响社交行为。TCF7L2是在小鼠和人类星形胶质细胞中表达，在星形胶质细胞成熟过程中达到峰值。在出生后的星形胶质细胞中条件敲除TCF7L2导致星形胶质细胞增大。这些小鼠也表现出皮层兴奋性和兴奋性突触数量的增加，以及社会互动的显著增加。这些数据揭示了星形细胞在发育性Wnt/β-连环蛋白信号通路在限制兴奋性突触数量和调节成人社会行为中的作用。
图一 Wnt效应蛋白TCF7L2在大脑发育过程中在人类和啮齿动物的星形胶质细胞谱系细胞中表达
皮层细胞的单细胞RNA测序数据集显示，TCF7L2在整个发育过程中都在少突胶质细胞前体细胞、一些神经元群体和星形胶质细胞谱系中表达。TCF7L2在成人星形胶质细胞中保持了其表达。首先通过分析胶质纤维酸性蛋白水平证实神经祖细胞分化为星形胶质细胞，GFAP蛋白如预期一样上调。接下来，作者检测了FL TCF7L2亚型的表达，该亚型在整个体外成熟过程中在35天后出现下降。还检测到DN TCF7L2亚型的表达增加。这表明在星形胶质细胞发育的后期，典型的β-连环蛋白信号可能减弱。对Aldh1l1eGFP报告细胞系的荧光激活细胞分选的TCF7L2的免疫印迹分析显示，小鼠星形胶质细胞表达FLFCF7L2亚型，而不是显性阴性亚型。在P30时，P30在皮质星形胶形细胞中仍观察到TCF7L2，但表达水平明显较低。以上数据表明，TCF7L2在大脑成熟过程中，在小鼠和人类星形胶质细胞中都有表达。考虑到TCF7L2是典型Wnt通路的一个显著效应者，其表达可能表明其通路在星形胶质细胞谱系中的活性。为了确定Wnt通路在星形胶质细胞中是否活跃，分析了其特征，即β-连环蛋白的核定位和Axin2的表达。免疫化学显示β-连环蛋白在细胞膜中高表达，在钙粘蛋白介导的细胞粘附中发挥wnt独立的作用。神经元标记物NeuN染色与β-连环蛋白的核定位没有重叠，提示核β-连环蛋白阳性细胞属于胶质谱系。Axin2的表达在胚胎后期到出生后早期增加，而在成年星形胶质细胞中下降。小鼠星形胶质细胞的活性随着年龄的增长而降低，从而降低其效应TCF7L2的水平。结果表明，β-连环蛋白信号在胚胎后期和出生后成熟的星形胶质细胞中是活跃的。
图二 TCF7L2促进了一个与星形胶质细胞功能成熟相关的基因表达程序
接下来运用TCF7L2 cKO基因型和对照小鼠。与同窝对照组相比，TCF7L2 cKO小鼠中表达所有TCF7L2亚型的皮质星形胶质细胞的减少了85%。没有在大脑中其他类型的细胞中观察到TCF7L2水平的降低，如丘脑神经元和少突胶质细胞谱系细胞，这些细胞已知表达高水平的TCF7L2。还发现神经元与星形胶质细胞的比例没有变化，这表明星形胶质细胞的整体增殖或神经发生向胶质发生转换的时间没有受到TCF7L2消耗的影响。因此，该模型在出生后的发育过程中有效且特异性地消耗了星形胶质细胞中的TCF7L2，而不影响星形胶质细胞的数量。TCF7L2的条件缺失导致275个基因的表达发生变化，其中157个基因表达下调，118个基因表达上调。参与兴奋性和抑制性神经传递的基因也发生了改变，包括富星形细胞富集的γ-氨基丁酸受体基因和D/l-丝氨酸转运体。尽管作者观察到一些与细胞骨架和肌动蛋白丝相关的上调基因，但在ckaTdT中并没有明确的基因上调模式。一些差异表达的基因是已知的Wnt/β-连环蛋白信号通路的靶基因，证实了TCF7L2的缺失有效地降低了星形胶质细胞中典型的Wnt通路的活性。研究结果表明，TCF7L2的转录调控促进了星形细胞程序，该程序与它们的成熟和神经元支持功能相关，包括缝隙连接耦合和突触形成。
图三 星形胶质细胞TCF7L2调节星形胶质细胞的拼接和缝隙连接耦联
星形胶质细胞在出生后的皮质发育过程中形态成熟，在出生后的前30天中变得更大、更有分支。成熟的星形胶质细胞除了体积增加外，还在大脑中表现出建立独立和不重叠的区域。TCF7L2 cKO小鼠的星形胶质细胞数量与对照组动物的星形胶质细胞数量相等。与对照组相比，TCF7L2 cKO星形胶质细胞有明显更大的重叠。适当的星形胶质细胞贴片对神经系统功能至关重要，包括突触传递、可塑性和神经元兴奋性等过程。这些过程通过间隙连接耦合在星形胶质细胞区域内同步。在cKO小鼠中，星形胶质细胞中的染料扩散显著减少。这些数据表明TCF7L2 cKO小鼠的星形细胞缝隙连接功能或组装受损。
图四 星形细胞TCF7L2调节神经元突触的发育和功能
星形胶质细胞在兴奋性和抑制性突触的发育和功能中都起着关键作用。促进突触成熟和形成的基因的表达减少，表明星形胶质细胞TCF7L2与皮质突触发生有关。作者在TCF7L2 cKO小鼠及其同窝对照小鼠的P6和P8上注射了他莫昔芬，并定量了30日龄动物的第5层躯体感觉皮层神经元的突触密度。测量了突触前和突触后标记物囊泡谷氨酸转运体1/突触后密度95和囊泡GABA转运体/卟啉的共定位。为了检测TCF7L2 cKO小鼠第5层躯体感觉皮层锥体神经元的功能特性，作者对微型兴奋性和抑制性突触后电流进行了全细胞膜片钳记录。在P30小鼠中，与对照组相比，TCF7L2 cKO神经元中mEPSCs的频率增加，与突触定量结果一致，mEPSC振幅的增加，表明突触强度的增加。TCF7L2敲除诱导的星形胶质细胞功能障碍导致了皮质兴奋性突触的数量和强度的增加。这些发现表明，星形胶质细胞TCF7L2对皮质突触的发育和功能至关重要，因此可能影响行为。
图五 星形细胞特异性的出生后敲除TCF7L2会导致成年期的过度社交能力
突触功能障碍是ASD的病理生理学基础，其主要特征是社会和认知缺陷。鉴于强有力的遗传学证据表明TCF7L2与ASD和智力残疾有关，接下来研究了星形胶质细胞Tcf7l2是否影响社会和认知行为。为了评估认知能力，使用了一个自然主义的范式，测试场地包含一些角落，可以分配加糖或不加糖的水。由于雌性的攻击性水平低于雄性，测试了一个在自然环境中只由雌性组成的小鼠队列。在适应和习惯了这个环境后，小鼠学会了将一个特定的角落与甜水奖励联系起来，该地方的学习通过测量触鼻的次数来量化。没有观察到对照组和TCF7L2 cKO小鼠之间的学习或记忆发生变化，这表明星形胶质细胞中TCF7L2的缺失并不影响认知。为了观察TCF7L2 cKO小鼠与同窝对照组相比的社会行为，使用了最近在自闭症小鼠模型中开发并测试的自然环境。雌性队列被放置在一个由四个腔室组成的测试场地中，但运动活动无变化。作为这种自然环境中社会偏好的独立指标，作者在测试的最后一天量化了对中性或社会气味的兴趣。在第4天，将社会气味放入Box C中，将中性气味放入Box A中。与对照组小鼠相比，TCF7L2 cKO小鼠在盒子中使用社会气味的时间明显更多。在放置气味线索之前，没有观察到盒子偏好。对照组和TCF7L2 cKO小鼠都更喜欢小鼠而不是物体，表明正常的社会偏好。然而，TCF7L2 cKO小鼠与窝对照组相比，表现出明显更高的与新小鼠社交偏好。cKO雄性和cKO雌性在社会气味方面没有变化，这表明TCF7L2介导的社会行为调节不是性别特异性的。以上研究表明，星形细胞TCF7L2优先影响雄性和雌性的社会行为，而不影响认知或学习。
该研究表明，在小鼠模型中社交性的改变表明，TCF7L2基因新生突变的ASD患者的星形细胞损伤可能有助于ASD的发展，即出生后的星形胶质细胞可能被靶向调节社会行为。
https://doi.org/10.1038/s41380-023-02281-y
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