【醉翁之艺】星形胶质细胞分泌的IL-33介导成年海马突触可塑性的形成

海马突触可塑性对学习和记忆的形成至关重要。星形胶质细胞是突触传递和可塑性形成的重要调节器，但它们如何与神经元相互作用以及在微环路水平上调节突触可塑性的机制仍不清楚。

既往研究发现，海马CA1区对形成海马依赖性记忆至关重要。星形胶质细胞是中枢神经系统中含量最丰富的胶质细胞，在发育期和成年大脑中调节突触形成、功能维持方面起着重要作用。星形胶质细胞调节突触的机制之一是分泌细胞因子，其中最具代表性的是TNFα和IL-33。为此，来自香港大学生命科学部的Ye Wang等研究者们通过选择性增加或减少星形胶质细胞IL-33的分泌，揭示其在介导突触稳态可塑性信号调控中的重要作用，研究结果于2021年11月发表在PNAS杂志上。

1. 神经元活性抑制能够促进海马CA1区星形胶质细胞分泌IL-33

图1 TTX阻断神经元活性能够促进海马CA1区星形胶质细胞分泌IL-33

首先，研究者采用钠通道阻滞剂河豚毒素（Tetrodotoxin，TTX）处理大鼠海马，免疫组化分析发现，给予TTX 0.5小时显著增加了海马CA1区IL-33蛋白表达，而CA3-CA2区和DG区的改变并不显著（图1A-C）。结果提示，抑制海马神经元活性能够诱导IL-33生成并促进其分泌。

2. 在稳态突触可塑性中，IL-33对TTX诱导的兴奋性突触增加至关重要

图2 在大鼠海马神经元中，TTX诱导的稳态突触可塑性依赖IL-33

随后，研究者采用IL-33靶向siRNA（si-IL-33）或control siRNA（si-Con）转染海马细胞进行体外培养，当突触连接形成后，使用TTX处理细胞，再将去除TTX的条件培养基转移到Naive海马细胞中，继续培养48小时（图2A）。结果发现，TTX处理的海马细胞的兴奋性突触数量和突触反应强度显著增加（图2B-D），且随着IL-33浓度增加而引起mEPSC频率增加（图2E-G），结果提示，IL-33能够剂量依赖性地增加突触可塑性。

3. 敲除神经元IL-33受体后，能够阻断IL-33介导的兴奋性突触形成

图3 IL-33通过神经元ST2/IL-1RAcP受体复合体调控稳态突触可塑性

既往研究认为，IL-33通过激活受体复合物发挥功能。为此，研究者将敲除神经元IL-33受体复合物后，再予以IL-33处理，结果发现显著削弱了IL-33介导的mEPSC的产生频率，减少了兴奋性突触的数量（图3A-E），提示IL-33通过神经元IL-33受体复合体调控神经元功能的重要作用。此外，研究者敲除海马神经元ST2后，同样削弱了TTX介导的mEPSC频率和兴奋性突触形成（图F-J）。以上结果提示，IL-33/ST2依赖的信号对稳态突触可塑性具有重要的调控作用。

4. IL-33通过促进突触PSD-95水平增强兴奋性突触形成

图4 IL-33通过增加PSD-95突触积聚进而促进兴奋性突触形成

研究者发现，IL-33能够通过增加突触PSD-95水平，从而增强兴奋性突触的形成（图4A-B）。此外，采用显微技术对IL-33处理的小鼠海马树突进行成像发现，IL-33能够促进CA1区海马神经元树突处内源性PSD-95簇的积聚、显著增加树突棘突触密度（图4C-E）。进一步免疫组化分析发现，IL-33能够显著增加PSD-95表达（图4F-G），增强成年小鼠海马神经元的mEPSC频率（图4H-J）。以上结果提示，IL-33能够促进成年小鼠海马CA1区神经元兴奋性突触的结构生成和功能状态。

5. 抑制海马神经元活性能够增加CA1区星形胶质细胞IL-33表达水平

图5抑制海马神经元活性能够增加CA1区星形胶质细胞IL-33表达水平

研究者进一步采用光遗传学手段抑制海马CA1区神经元活性，结果发现，CA1区星形胶质细胞IL-33蛋白表达水平显著升高（图5B-D），结果提示，成年小鼠海马神经元活性的抑制增加了CA1区星形胶质细胞中IL-33蛋白的水平。除了直接干预CA1区兴奋性神经元外，研究者还通过激活中间神经元来抑制CA1区兴奋性神经元的活性。以上结果提示，CA1区星形胶质细胞通过感受局部兴奋性神经元活动的抑制信号，以调节IL-33的合成和分泌。

为了进一步确定星形胶质细胞IL-33表达是否受神经元活动的调节，研究对小鼠进行视觉剥夺。与非视觉剥夺组小鼠相比，视觉剥夺组小鼠海马CA1区表达IL-33的星形胶质细胞比例显著增加（图5H-J）。为此，以上结果提示，视觉感受输入减少，即抑制神经元活性导致海马CA1区星形胶质细胞IL-33表达增加。

6. 星形胶质细胞分泌的IL-33是调控海马CA1区稳态突触可塑性微环路的调控因素

图6 IL-33/ST2信号在神经元活性抑制介导的海马CA1区兴奋性突触形成中具有调控作用

研究者进一步对IL-33/ST2进行干预，特异性敲除CA1区星形胶质细胞中的IL-33，结果发现，与对照组相比，CA1区星形胶质细胞中表现为IL-33蛋白显著降低（图6H-I），且PSD-95簇数量显著减少（图6J-K），即兴奋性突触显著减少。以上结果提示，星形胶质细胞分泌的IL-33在形成海马CA3-CA1区微环路兴奋性突触是必需的。

7. IL-33/ST2信号对年轻成年小鼠的记忆形成非常重要

图7 IL-33/ST2信号对年轻成年小鼠空间学习记忆的形成非常重要

最后，研究者为了确定突触可塑性的IL-33/ST2依赖性调节是否参与海马相关认知功能，即IL-33/ST2信号在空间信息编码到工作记忆中的重要作用。结果发现，在情境条件恐惧实验中，阻断IL-33/ST2信号传导显著损害了空间记忆形成（图7A-C）。而且，旷场实验显示，这种记忆损害与运动和焦虑状态无关（图7D-E）。以上结果共同表明，IL-33/ST2信号在年轻成年小鼠的学习和记忆中起着重要作用。

醉翁之艺 点评

本研究揭示了星形胶质细胞分泌的IL-33通过调控海马CA1区突触结构和功能改变，在神经元稳态突触可塑性中发挥重要重要。该研究不仅为星形胶质细胞介导的稳态突触可塑性的神经调节机制提供了全新的理论依据，而且有助于进一步阐明相关神经退行性疾病中突触功能失调的潜在机制。

张欣 吕卓辰