星形胶质细胞、循环和脑源性神经营养因子

关于星形胶质细胞如何循环，量子点技术可以揭示什么？

由 Alomone 团队提供 - 2023 年 6 月

随着我们对星形胶质细胞性质的发现越来越多，它们不断掀起科学浪潮——近期我们在研究他们在癫痫中是敌是友（详情请点击这篇文章了解）。现在，星形胶质细胞似乎也在循环利用：韩国脑研究所（KBRI）的一篇论文揭示了星形胶质细胞在调节大脑功能方面的一个隐藏部分（可以参考文献：Endocytic BDNF secretion regulated by Vamp3 in astrocytes）。通过追踪脑源性神经营养因子（BDNF）的旅程，研究人员揭示了星形胶质细胞摄取、运输和分泌BDNF 的奇妙机制（可以参考文献：Astrocyte VAMP3 vesicles undergo Ca2+-independent cycling and modulate glutamate transporter trafficking）。

BDNF通过一种名为TrkB的受体发挥调节大脑功能的多种作用。我们早就知道星形胶质细胞表达 TrkB 受体，并能通过受体介导的内吞作用内化细胞外的 BDNF。然而，内化 BDNF 重新分泌背后的确切机制一直难以捉摸。但现在，这项引人入胜的新研究的作者们使用量子点（QD）共轭成熟 BDNF（QD-BDNF）作为细胞外 BDNF 的替代物，从而监测了 BDNF 在活体皮质星形胶质细胞中的移动。

照亮星形胶质细胞

在研究过程中，研究小组发现囊泡相关膜蛋白 3 (Vamp3)在星形胶质细胞释放内源性 BDNF 时起着关键作用。免疫细胞化学和QD成像结合Alomone 的生物素标记的人BDNF（B-250-B），发现星形胶质细胞中含有 Vamp3 的囊泡中富含内源性 BDNF 颗粒。

用ATP刺激星形胶质细胞会引发含BDNF小泡的逆向或顺向运输和外排，从而有效地将BDNF回收到细胞外空间。为了进一步揭示Vamp3的作用，研究人员敲除了Vamp3的表达，这中断了BDNF从星形胶质细胞中的释放，但不影响其吸收或转运。虽然研究人员不清楚ATP刺激是如何增加内含BDNF囊泡的前向或逆向运输的，但他们怀疑这可能与Ca2+或脂质信号有关。

成像星形胶质细胞中的 BDNF

图 1.QD-BDNF 作为监测星形胶质细胞内 BDNF 的工具。(A）生物素化 mBDNF 与链霉亲和素-QD655（QD-BDNF）的示意图。 B）左图：纯化的 QD-BDNFs （2 nM）的代表性荧光图像。比例尺 = 10 µm，插图比例尺 = 5 µm。右图：QD-BDNF 颗粒的二维尺寸分布（来自 40 个细胞的 1073 个颗粒）。(C) 用 QD-BSA 或 QD-BDNF 处理的表达 EGFP 的星形胶质细胞的代表性图像。缩放条 = 10 µm。下图所示位置（数字）的放大视图。比例尺 = 10 µm。(D) 表达乱码 shRNA（对照组）、TrkB-shRNA #1 （shTrkB #1）或 #2 （shTrkB #2）的星形胶质细胞内的 QD-BDNF 代表性图像。缩放条 = 10 µm。插图：指定位置（白框）的放大视图。比例尺 = 5 µm。条形图：每种条件下 QD-BDNF 的平均密度。**P < 0.01.N = 每组 10 个细胞。E. QD-BSA 和 QD-BDNF 处理的星形胶质细胞的平均形状指数。*P < 0.05.N = 5 或 16 个细胞。(F）经 2 nM QD-BDNF 处理的星形胶质细胞在每个孵育时间的平均 QD-BDNF 密度。*P < 0.05.N = 每种条件下 10 个细胞。G. 经 0.5、1、2 或 5 nM QD-BDNF 处理的星形胶质细胞的代表性图像。比例尺 = 10 µm，插图比例尺 = 5 µm。(H）最小（0.3 µm2）或较大（> 0.3 µm2）的 QD-BDNF 平均密度。*p < 0.05，**p < 0.01。(I)细胞内 QD-BDNF 总量中尺寸最小或较大的 QD-BDNF 的平均比例。*P < 0.05.N = 9-10 cells in each condition.用 ImageJ/FIJI 软件（Ver. 2.1.0/1.53c，NIH）测定 QD-BDNF 颗粒数量和星形胶质细胞的形状指数。图片来自 J, Yoon 等人，科学报告 11, 21203 (2021)

星形胶质细胞和 SNARE

星形胶质细胞在支持神经元功能方面的重要作用早已得到公认，但它们参与 BDNF 的再循环和分泌又为自己增添了一项技能。在这里，研究人员观察到，BDNF在星形胶质细胞中的直接内化和再循环是由TrkB.T1受体介导的。

如前所述，星形胶质细胞也接受了 ATP 处理。这些细胞对 ATP 刺激的反应是通过可溶性 NSF 附着蛋白受体（SNARE）依赖机制释放内源性 BDNF。这意味着星形胶质细胞积极参与调节细胞外 BDNF 的浓度，与 TrkB.T1 一起对大脑功能进行复杂的调节。

调节器 Vamp3

研究人员发现Vamp3是ATP触发的内细胞BDNF分泌的关键调节因子。虽然含Vamp3的囊泡，包括早期内体和分泌颗粒，包含了大部分内细胞QD-BDNF颗粒，但也有其他囊泡部分与QD-BDNF显示出显著的共定位。这表明其他囊泡，如 Rab7 或 Rab11 阳性的内体，也参与了回收过程。

由于Vamp3是星形胶质细胞中富集的vSNARE，研究人员推测星形胶质细胞中循环内含BDNF的囊泡可能受Vamp3控制。他们发现，在ATP刺激下，含Vamp3-EGFP的囊泡经常分泌QD-BDNF，这支持了他们的假设。在敲除 Vamp3 的实验中，他们发现 ATP 诱导的 QD-BDNF 外泌减少了 76%。然而，反过来说，Vamp3 并不需要QD-BDNF的内吞或转运，他们在星形胶质细胞Vamp3敲除模型中观察到QD-BDNF的摄取和转运没有变化，从而证明了这一点。总之，这表明 Vamp3 是内吞 BDNF 分泌的一个主要但有选择性的调节因子。

钙与复杂性

研究人员深入研究了星形胶质细胞内BDNF分泌的分子机制，发现螯合ATP诱导的Ca2+升高会部分减少QD-BDNF的外泌。有趣的是，直接增加细胞内Ca2+浓度并不足以导致QD-BDNF外渗，这表明可能还有其他信号通路参与其中。

一种潜在的途径涉及通过 P2 受体激活或 A2 受体改变环磷酸腺苷（cAMP）水平。这些途径可能会激活依赖于 cAMP 的信号途径，而 cAMP 是囊泡对接或外排所必需的，从而影响内细胞 BDNF 的释放。最后，独立于 Vamp3 的机制可能在 BDNF 分泌中发挥作用，因为研究小组在 Vamp3 阴性的囊泡中观察到了 QD-BDNF，以及 ATP 触发的 QD-BDNF 从这些囊泡中释放。

多种途径在发挥作用

这项研究的结果为 Vamp3 在 BDNF 循环过程中调节星形胶质细胞内 BDNF 分泌的选择性作用提供了证据。但这并不是故事的全部：Ca2+和ATP的参与、cAMP浓度的变化，以及通过Vamp3阴性囊泡中QD-BDNFs的存在发现的Vamp3无关机制，都表明BDNF的再循环并不是一件简单的事情。虽然 Vamp3 是这一过程的选择性规律，但一定有多种信号通路促成了星形胶质细胞对 BDNF 的再循环。

了解支配星形胶质细胞中 BDNF 循环的分子事件可能会对突触可塑性和认知功能产生重大影响。因此，还需要做更多的工作来揭示 BDNF 循环的其他方面。研究人员可能会把重点放在参与这一过程的其他分子角色和信号通路上。此外，研究 BDNF 循环的改变对突触可塑性、学习和记忆的影响将为这一复杂机制的广泛影响提供有价值的见解。

BDNF 的回收之旅

多亏了 QD 技术，科学家们才得以对 BDNF 的旅程及其如何在星形胶质细胞内循环利用有了更多的了解。通过使用 QD-BDNF 作为细胞外 BDNF 的替代物，研究人员可以跟踪其在培养的皮质星形胶质细胞内的运动，并开始解开这一看似简单的过程所涉及的多种途径。这项研究加深了我们对大脑中不同细胞类型之间动态相互作用的理解，并强调了星形胶质细胞在维持大脑健康中的重要意义.

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关于Alomone

Alomone是来自以色列的离子通道专家，提供与离子通道和膜蛋白（TRP通道、钠/钾/钙通道、水通道、GPCRs）相关的抗体、拮抗剂/激动剂（小分子化合物和毒素）、神经生长因子等。

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