少突胶质细胞与中间神经元在神经发育和脑疾病中的相互作用关系研究进展

刘瑛琦，冯嘉祥，智 娜，黄义源，袁 洁，张 明，赵湘辉(空军军医大学基础医学院神经生物学教研室，陕西 西安 700；西北大学生命科学学院，陕西 西安 707；延安大学生命科学学院，陕西 延安 76099)

少突胶质细胞是中枢神经系统的髓鞘形成细胞，而髓鞘是保证神经冲动沿有髓神经纤维作跳跃式快速传导、维持神经元间正常通信的重要结构基础。在神经系统损伤等病理条件下，由于该细胞高耗能的代谢特点和对各种有害因素的高度敏感性，导致其十分容易产生凋亡和神经元轴突脱髓鞘现象，进而损害轴突的神经冲动传导能力[1]。由于发育和病理损伤导致的少突胶质细胞髓鞘缺陷将引起多种神经、精神疾病，包括认知障碍、焦虑抑郁等[2-3]。不论从发育还是疾病角度，少突胶质细胞及髓鞘结构与抑制性中间神经元功能的正常发挥都密不可分。GABA能抑制性神经元作为维持神经微环路兴奋/抑制动态平衡的关键点，是调控兴奋性神经元神经信息输出的重要细胞类型，近年来被认为是多种精神疾病发生的关键原因之一[4]。为深入了解两类神经细胞的交互机制在神经系统发育与相关疾病中的作用，我们对两类神经细胞的发育起源、转录调控、互作方式等内容做了比较和综述，希望为从事相关领域的研究人员提供较全面的认识，并有助于对相关疾病的机制研究提供崭新的思路。

1 少突胶质细胞的起源

在啮齿类动物前脑的发育过程中，少突胶质细胞由位于神经节隆起和皮层脑室区的少突胶质前体细胞(oligodendrocyte precursor cells，OPCs)在不同的时间点分化而来[5]。在背侧向腹侧逐渐发展的过程中，大脑皮层存在三个连续的OPCs发生波：第一波产生于胚胎第12.5日(E12.5)左右，由内侧神经节隆起(medial ganglionic eminence，MGE)和胚胎视前区(embryonic preoptic area，ePOA)中表达转录因子Nkx2.1的前体细胞发育而来；第二波于E14.5发生，源于外侧神经节隆起和MGE中表达同源框基因Gsx2的前体细胞；最后一波在出生时由皮质中表达同源框基因Emx1的前体细胞产生[6]。

转基因小鼠的Cre-loxP命运谱系追踪研究显示，这三波OPCs的命运变化如下：出生后10 d，小鼠大脑皮层中来自MGE和ePOA的第一波OPCs消除殆尽，并被第二波和第三波OPCs取代。尽管第一波OPCs仍在中枢神经系统其他区域存活，但它们在新皮质中的大量死亡，表明这一波OPCs群体在皮质回路成熟和髓鞘形成中的作用可能甚微[6]。此外，通过基因敲除的方法去除第一波OPCs发现，该细胞群的替换并未发生重大的髓鞘改变，提示相对于其他OPCs，其可能存在功能冗余[6]。

在灵长类动物大脑的外室下区(outer subventricular zone，OSVZ)存在一种特殊的放射状胶质细胞亚型——神经源性外放射状胶质细胞(outer radial glia，oRG)，它被认为有助于灵长类动物大脑的灰质扩张[5]。有关人脑的单细胞测序分析证明：存在局部中间祖细胞起源的Pre-OPCs细胞，表达oRG特异性基因，如PTPRZ1、TNC、MOXD1、HOPX和FAM107A等[6]，提示Pre-OPCs可能由oRG产生[5]。此外，在人类胶质细胞发生初期(GW20-24)，皮质生发区的OSVZ存在大量EGFR/OLIG2双阳性细胞。这些祖细胞在GW16-18期间以低丰度存在，但在GW20-24期间急剧增加，与OPCs生成时间相一致。与呈现长放射状突起的oRG不同，表达EGFR的OSVZ细胞在生发区是随机分布的，可与脑室表面垂直、斜连，或者水平分布[7]。孕中期和晚期时这些祖细胞可在局部生成OPCs；在后续的发育过程中，OPCs经过长时间的增殖，通过对称分裂大幅增加细胞数量，为后续少突胶质细胞的产生奠定基础[5]。

2 中间神经元的发育起源

神经系统中皮质中间神经元的主要来源是MGE和尾侧神经节隆起(caudal ganglionic eminence，CGE)，与少突胶质细胞的来源类似。对小鼠而言，MGE被认为是50%～60%左右的皮质中间神经元的起源部位；CGE则产生约30%～40%的皮质中间神经元。在啮齿类动物中，GABA能中间神经元在E12.5时首次开始切向迁移，该时间点与少突胶质细胞发生的早期阶段相对应[8]。早期的中间神经元到达皮层后，在皮质板水平迁移；随后产生更多的中间神经元通过中间区迁移[9]。在较晚的皮质形成时(E14-15)，可在皮质中观察到三种迁移路线(又称切向迁移流)，分别是边缘区、基底区和下中间区、脑室下区[10]。

MGE的祖细胞可产生GABA能中间神经元和少突胶质细胞，这提示着两者可能来自同一个祖先。目前已知，MGE和CGE产生的中间神经元类型互补，而且中间神经元的类型和其特定来源的祖细胞区有较强的对应关系[11]。比如，MGE主要产生小清蛋白(parvalbumin，PV)阳性中间神经元(包括篮状细胞和吊灯细胞)和表达生长抑制素(somatostatin，SST)的中间神经元(其中Martinotti细胞形成了最大的亚群)[12]；而CGE则产生相对少见的亚型，包括神经胶质样、双极性和表达血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide，VIP)的多极中间神经元[13]。最近，有关海马遗传谱系的分析虽然强调了特定胎脑结构产生特定中间神经元类型的观点[13]，但也证明上述前脑区域和中间神经元类型之间并不是简单的对应关系。例如，皮层神经胶质样神经元是由CGE衍生的，但在海马区却是很大一部分来自于MGE。此外，虽然大脑中不同部位的一些中间神经元(如快速放电的篮状细胞)在组织来源上显示出明显的相似性，但其他子类似乎并没有明显相似性。类似地，一类特殊的中间神经元，方位腔隙分子细胞，至少有两个不同来源，产生了不同亚型，即表达和不表达离子型血清素受体5HT3aR的亚型。更有趣的是，基底神经节中间神经元群的主要来源只有MGE[13]。

3 少突胶质细胞与中间神经元发育的转录调控机制

中间神经元与少突胶质细胞的起源类似，提示两者在发育过程中可能共用相似的转录调控机制。神经干细胞(neural stem cell，NSC)是中枢神经系统发育的细胞来源。碱性成纤维细胞生长因子和血小板源性生长因子促进NSC分化、迁移和增殖。NSC开始向OPCs分化后，逐渐表达bHLH转录因子，包括Ascl1(Mash1)、Olig1、Olig2，以及NK同源框因子(Nkx2.2、Nkx6.1和Nkx6.2)。这些转录因子对少突胶质细胞的形成很重要[14]。Olig2是少突胶质细胞谱系分化所需的主要因子，可以通过抑制核因子-IA，发挥抑制NSC向星形胶质细胞分化的功能[15]。SRY-boxes(Sox)转录因子家族也参与OPCs产生和分化成熟的不同阶段。在初始阶段，Sox1、Sox2和Sox3确保NSC保持未分化状态[16]；在OPCs阶段，Sox11和ETS相关基因1均受到组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases，HDAC)调控，可抑制髓鞘形成相关基因的表达。转录因子7样2和转录因子4(transcription factor 4，Tcf4)由WNT信号传导触发，抑制少突胶质细胞的生成和成熟[17]。此外，转录因子阴阳蛋白1(yin yang 1，YY1)在少突胶质细胞发生过程中，通过将HDAC1引入启动子，特异性抑制髓鞘发育的转录抑制因子，如Tcf4和Id4，从而促进少突胶质细胞的发生。另一方面，YY1还可以与髓鞘基因调控因子结合，激活该分子对髓鞘形成相关基因的调控作用[18]。

在中间神经元的转录调控方面，Dlx同源盒基因、Lhx6、Sox6、Nkx2.1等转录因子对于调控MGE产生PV和SST中间神经元至关重要[19]。比如，Nkx2.1表达局限于MGE内，由Sonic hedgehog信号激活维持。完全或条件性缺失Nkx2.1均会导致PV和SST中间神经元的减少。另一重要的转录因子Lhx6是Nkx2.1的靶分子[20]，其表达也仅限于MGE。在缺失Lhx6的情况下，MGE衍生的神经祖细胞仍能正确地迁移到皮层，但这些神经元大多不能表达PV或SST，而其神经肽Y的表达有所增加。但在Lhx突变体中，PV和SST中间神经元并未被完全消除。这意味着MGE并非两类中间神经元的惟一来源[19]；同时也提示存在Nkx2.1和Lhx6以外的其他转录因子调控PV和SST中间神经元的分化。Gsx1和Gsx2这两种同源盒转录因子对于CGE来源的中间神经元祖细胞的分化是必需的。Mash1是Gsx1和Gsx2的下游基因，其突变体在发育早期表现出皮层中间神经元数量的显著减少。Gsx2和Mash1神经祖细胞已被证明同时表达Dlx1/2[21]，该基因家族是Gsx2和Mash1的下游基因[22]。

在调控中间神经元命运方面，Dlx1和Dlx2在功能上是冗余的：单独敲除Dlx1或Dlx2基因的小鼠在GABA能神经元形成中只表现出轻微缺陷；而Dlx1和Dlx2双突变体将导致GABA能神经元的发育存在普遍缺陷。Dlx1/2基因在GABA能神经元成熟的多个阶段发挥作用，包括获得GABA能特性、启动和终止切向迁移、调控特定亚类的形态功能成熟等[23]。随着转录靶标的确定，Dlx1/2在这些不同的发育活动中的具体机制越来越清楚，Elmo1、Dlx5/6、Arx和Sip1等转录因子都被证明是控制迁移和中间神经元类型所必需的。这些基因的突变可能导致神经环路异常并产生多种情感性精神障碍[13]。

研究发现，Dlx同源框转录因子通过作用于OPCs共同的祖细胞，抑制OPCs的形成，从而决定中间神经元和少突胶质细胞的命运[24]。通过分析Dlx2/tauLacZ小鼠，发现一些来自于表达Dlx2前体细胞的OPCs。若将Dlx1/2突变小鼠腹侧端脑来源的祖细胞移植到新生野生型小鼠，将不产生神经元，而是分化为有髓鞘的少突胶质细胞，并存活至成年。这些研究确定了在胚胎腹侧前脑中，Dlx基因作为中间神经元与少突胶质细胞的发育调节剂的作用[24]。

Dlx1/2负调控OPCs形成的过程依赖于多个分子寡聚体的协同作用。有证据表明，Mash1与Dlx基因之间存在交叉调控。Mash1与调节端脑的神经元和少突胶质细胞发生有关，该基因的功能对嗅球神经元和围产期少突胶质细胞的发育是必要的，可通过限制Dlx+祖细胞的数量来促进OPCs形成。一方面，Mash1可与Dlx1和Dlx2基因间区的调控DNA元件结合；另一方面，在Dlx1和Dlx2突变体的皮层脑室区和脑室下区中，Mash1表达增加[21]。还有研究确立了在MGE和AEP生发区，Dlx1/2、Olig2和Mash1转录因子的组合表达，在调节前脑神经和少突发生之间平衡的作用，即Dlx1/2通过负向调节Olig2的表达来抑制腹侧前脑OPCs的形成；Mash1通过限制Dlx+祖细胞的数量来促进OPCs的形成[21]。

以往研究认为，在出生前，神经祖细胞一旦被决定要变成少突胶质细胞谱系，将持续表达少突胶质细胞特异性转录因子Olig2，并抑制中间神经元转录因子Dlx2。但是，最近的一项研究提出两者间的命运可发生转换[25]。皮层来源的OPCs过表达Dlx2导致其命运从少突胶质细胞转向未成熟神经元，Olig2表达下调而抑制性神经元相关转录因子上调，最终形成GABA能神经元。从功能上讲，OPCs转分化产生的抑制性神经元还可产生动作电位，并形成GABA能突触。以上研究提示，在发育过程中两种细胞共用的分子调控网络为特定情况下，如中间神经元发育异常疾病，促进OPCs向中间神经元命运转换提供了重要思路。

4 少突胶质细胞与中间神经元的相互作用

皮质GABA能中间神经元和少突胶质细胞具有多个共同特征：①两种细胞来自相同的生发区域，前体细胞可表达相同的转录因子；②这些细胞沿相似的切线迁移路线到达皮层；③两种细胞谱系亚群在出生后早期均过度产生，后显著减少[26]。此外，在发育过程中，二者间存在多种相互作用模式，如迁移的中间神经元可以释放旁分泌因子，促进OPCs分化[27]；在OPCs分化高峰前，皮质OPCs可从PV中间神经元接收短暂且主要的突触输入；皮质中大多数PV中间神经元可被髓鞘化等[26]。近年研究发现，中间神经元与少突胶质细胞的非突触交流模式，如异步外传递或机械相互作用，将会影响少突胶质细胞的功能和髓鞘形成。下面就两者之间的主要相互作用方式进行具体阐述。

4.1 中间神经元与少突胶质细胞的突触联系

OPCs是目前已知惟一分别接受谷氨酸兴奋性突触和GABA抑制性突触直接输入的胶质细胞[28]。因此，OPCs形成突触连接是其重要且高度保守的特性。OPCs与谷氨酸能神经元在多数脑区均可形成突触，包括海马、小脑、皮层、脑干和白质束。2004年，LIN等[29]首先在急性海马切片中检测到中间神经元-OPCs突触。CA1区的中间神经元直接释放GABA，作用于OPCs的突触后GABAA受体。GABA是中枢神经系统除甘氨酸外的主要抑制性神经递质，这些抑制性神经元-OPCs突触结构随后在灰质和白质中被大量研究证实[28-30]。以皮质为例，OPCs接受的抑制性突触约占其所有突触的90%[30]。这种通过GABAA受体的突触传递在出生后第2周达到高峰(p10)，随即出现少突胶质细胞数量的急剧增加。直到出生后第4周，通信模式才切换到非突触式，此时OPCs的GABA能电流主要由GABA外溢引起。值得注意的是，在这个时间点皮质OPCs的分化已经基本完成[24]。这些结果进一步表明，出生后早期皮层OPCs-中间神经元突触的建立对OPCs分化和中间神经元髓鞘形成是必不可少的[24]。

神经元可作为突触前和突触后的组成成分参与神经环路构建，但OPCs似乎只在突触后接受神经元的输入，不参与突触前的组成[31]。谷氨酸能轴突-OPCs突触在发育早期形成，并随年龄的增长而变得更强烈(电流更大、输入更丰富)，与周围神经元突触的正常发育平行；而皮质中的GABA能信号则如上文所述，随年龄的增长从突触式传递转变为非突触式。

皮质第一波OPCs与其谱系相关的中间神经元形成功能性细胞簇。由于有共同的发育起源，这些细胞簇优先形成突触连接，并保持至OPCs分化为成熟少突胶质细胞后。在小鼠感觉皮层中，OPCs-中间神经元的突触连接在出生后第10日达到峰值，然后下降；该突触连接仅限于一个精确而短暂的时间窗。有趣的是，这种短暂的连接发生在皮质中间神经元和OPCs大量程序性细胞死亡期间。事实上，在出生后的前两周，第一波OPCs和40%的中间神经元被消除。它们的死亡与高度调控的短暂突触连接都表明这两种细胞类型在调节谱系相关的细胞相互作用和稳态方面发挥了重要的作用[6]。

GABA可与GABAA或GABAB受体结合，并在突触末端施加或快或慢的抑制。在胼胝体和海马体的切片中，GABAA受体诱发OPCs的去极化，可能与细胞的分化调控有关[24]。有研究发现从增殖的OPCs到成髓鞘的少突胶质细胞发育过程中GABAA受体表达下调。最近的转录组研究以及单细胞qRT-PCR显示，所有GABAA受体亚基(α1-5、β1-3和γ1-3)在少突胶质细胞发育过程中均会减少[24]。其中γ2亚基只在OPCs中表达，在少突胶质细胞中不表达[24]。然而，γ2亚基的缺失似乎不影响OPCs的增殖和分化。有趣的是出生后第2～4周，表达α2、α5、β1、γ2亚基的OPCs减少，表达α3、α4亚基的增加；此时OPCs正由突触传输切换到突触外通信。在PV中间神经元-OPCs突触后膜上特异性检测到γ2亚基[30]，其水平与神经元突触后表达相当。相反，非快速放电的其他中间神经元与OPCs连接不良，这与靶点远端缺乏含有γ2亚基GABAA受体的亚细胞域有关。因此，γ2亚基是GABAA受体亚基突触后聚类所必需的[24]。

4.2 GABA信号对OPCs分化和髓鞘化的调节作用

GABA信号在OPCs的起源、轴突识别和髓鞘形成的初始阶段发挥了关键作用[28,32]。全身应用GABAA受体拮抗剂荷包牡丹碱可显著增加OPCs的增殖，而GABA的增加会引起小脑白质的相反作用[28]。内源性GABA使小鼠皮质脑片培养物中的OPCs和成熟少突胶质细胞的数量接近相等，这可被GABAA受体阻滞剂加巴嗪逆转[33]，表明GABAA受体信号通路抑制了OPCs的自我更新和髓鞘化。

少突胶质细胞谱系的GABA能信号对神经元的髓鞘形成很重要。通过对小鼠新皮质的形态学分析发现，皮质第2/3层中1/2的髓鞘和皮质第4层1/4的髓鞘都是包裹在抑制性神经元上，尤其是PV阳性篮状细胞[24]。这类细胞的轴突与神经元(尤其是锥体神经元)的胞体和近端树突相接触。皮层中其他类型的中间神经元(如VIP和SST阳性的中间神经元)的髓鞘化程度要低得多。最近有研究表明，由于OPCs中GABAA受体γ2亚基的缺失，PV神经元与OPCs相互作用中断，会导致桶状皮质中PV神经元髓鞘化降低[24]。在出生后发育过程中，相比于其他中间神经元亚型，PV中间神经元优先与OPCs形成密切的突触连接，但该连接似乎并非启动PV神经元髓鞘化过程所必需的。可能的原因有：未髓鞘化的PV神经元也与OPCs存在突触连接；当PV神经元与OPCs间的突触失活时，仍保持其髓鞘；在存活的OPCs与谱系相关的中间神经元形成的功能性细胞群中，第一波开始分化为具有髓鞘的少突胶质细胞与中间神经元特性无关，并且在谷氨酸和GABA能中间神经元轴突中都有髓鞘；促进来自第一波谱系相关的中间神经元和OPCs存活，将导致其他少突胶质群体的密度大幅增加，从而引起整体的高度髓鞘化[24]。当然，这些结论并不排除PV神经元-OPCs突触连接的异常，会导致这些中间神经元在郎飞氏结形成和髓鞘分布方面的差异[24]。

值得注意的是，突触外GABA水平可能参与髓鞘形成的适应性调节。事实上，增加中间神经元和第一波OPCs间的突触连接有利于感觉皮层的深层髓鞘化[6]。成熟少突胶质细胞介导的中间神经元髓鞘化似乎是基于GABA中间神经元-OPCs通信的直接结果。此外，GABA介导的髓鞘化过程可能与谷氨酸介导的过程有很大的不同：与非GABA能神经元轴突相比，GABA能神经元轴突的髓鞘结构郎飞氏节间距离缩短[24]，髓鞘碱性蛋白表达水平更高。目前为止，还没有直接的证据证明GABA能信号通路在少突胶质细胞谱系的发育中起决定性作用。在体外实验中，GABA不影响OPCs的原代增殖，而巴氯芬选择性激活GABAB受体可促进少突胶质细胞系CG- 4的增殖[24]。

此外，在脱髓鞘等脑疾病中，GABA信号也参与调节少突胶质细胞的功能。有关脑卒中的研究中发现，GABA在半暗带的释放急剧增加[24]。但是GABAA受体介导的OPCs突触输入减少[28]，且伴随OPCs广泛增殖、少突胶质细胞成熟延迟和异常髓鞘化[28]。然而，这种交流是突触性的还是非突触性的还不清楚。在GABA刺激下，成人皮层OPCs产生BDNF等神经营养因子；脑卒中后这些因子增加[24]；而BDNF在生理和病理条件下又可以促进OPCs增殖[24]。但新生成的OPCs是否参与再生不得而知。

在进行性脱髓鞘的多发性硬化症(multiple sclerosis，MS)患者的大脑中，突触前和突触后GABA能神经传递均降低[34]。而且感觉运动皮层中GABA水平升高，海马中GABA水平降低[35]。虽然尚未证实存在GABA介导的OPCs神经传递功能障碍，但据其生理功能推测少突胶质细胞的GABA能神经传递可能会影响MS的疾病进展。在动物实验方面，一项对实验性自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE)小鼠制备的成熟少突胶质细胞的单细胞转录组测序研究显示，GABAB1亚基水平降低，但GABAB2和GABAA受体亚基水平不变[36]。这提示与正常生理条件一样，GABAB受体可能会影响EAE损伤后的髓鞘再生。有趣的是，在这些EAE小鼠中，负责将GABA逆向运输到细胞外的GABA转运体GAT3在OPCs中表达下调，而少突胶质细胞中GAT1表达升高[24]。对于GATs的表达变化是脱髓鞘的结果还是原因，目前仍无法做出判断。至于少突胶质细胞谱系细胞中的GABA能信号是如何参与脱髓鞘和重组的，还有待进一步研究。

5 结语

越来越多基于单细胞测序的结果提示，无论是少突胶质细胞还是中间神经元，都属于高异质性，即由多种基因表达谱和功能特异的亚型构成。而这些复杂的细胞亚型之间如何协调互作、共同调控神经微环路仍然需要大量的研究。神经介观图谱成像研究、神经调控技术、多组学测序与联合分析研究、iPSC技术等都将为神经精神疾病的细胞和分子表型揭示提供有力的支持，为探索相关疾病新的治疗靶点和策略提供重要理论基础。此外，研究人员还应关注两种细胞类型在啮齿类动物和人类的发育起源、谱系特化等方面的差异，为设计可靠的针对患者的研究方案和实施策略提供帮助。