Nat Commun丨补体与小胶质细胞激活介导应激致突触丢失

2024年11月12日，德克萨斯州圣安东尼奥市德克萨斯大学健康科学中心药理学系Gek Ming Sia在Nature communications发表“Complement and microglia activation mediate stress-induced synapse loss in layer 2/3 of the medial prefrontal cortex in male mice”，揭示了补体和小胶质细胞激活介导了雄性小鼠内侧前额叶皮层2/3层中因应激引起的突触丢失。

补体是存在于人和脊椎动物血清与组织液中的一组经活化后具有酶活性的蛋白质，参与免疫防御等多种生理过程，C3 是其中关键的组成部分，在补体激活的多条途径中都起着核心作用。空间异质性突触丢失是许多精神和神经系统疾病的特征，但其背后的机制尚不清楚。作者展示了空间限制性的补体激活介导了应激诱导的异质性小胶质细胞激活和突触丢失，这些丢失局限于雄性小鼠内侧前额叶皮层（mPFC）的上层。单细胞RNA测序还揭示了一种与应激相关的小胶质细胞状态，其特征是位于mPFC上层的载脂蛋白E基因（Apoehigh）高表达。缺乏补体组分C3的小鼠免受应激诱导的层特异性突触丢失的影响，这些小鼠的mPFC中Apoehigh小胶质细胞群显著减少。此外，C3基因敲除小鼠也对应激诱导的快感缺失和工作记忆行为缺陷具有抵抗力。作者的发现表明，区域特异性的补体和小胶质细胞激活可以促成许多脑部疾病中发现的疾病特异性的空间限制性突触丢失和临床症状的特定模式。

图一 多种应激导致内侧前额叶皮层中层次特异性补体激活

经典补体级联反应是一个主要的信号通路，介导小胶质细胞吞噬突触。补体组分C3是补体级联反应中的主要效应分子，它被沉积在突触上，并被小胶质细胞的CR3受体识别以进行吞噬。为了探究慢性应激是否诱导异质性补体激活，作者将雄性C57BL/6 J小鼠暴露于21天的慢性皮质酮（CORT）给药方案，接下来评估mPFC中的补体激活。发现CORT处理导致mPFC第2/3层C3沉积的层特异性增加，而不是第5/6层。除了mPFC，作者还发现慢性CORT在其他脑区，如海马CA1区、外侧缰核（LHb）和终纹床核（BNST）引起C3沉积。并发现应激不会增加mPFC中C1q的沉积，这表明经典补体途径不参与应激反应。作者评估了两种其他常用的应激方案，慢性束缚应激（CRS）和慢性不可预测应激（CUS）中的C3沉积。这两种方案都涉及快速自主神经系统（ANS）反应，以及CORT模拟的慢速下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴激素反应。这两种方案还提供了不同的CORT反应模式。CRS和CUS都引起了类似于慢性CORT给药中发现的层特异性C3沉积增加。因此，多种慢性应激导致mPFC中C3层特异性沉积，表明层特异性补体激活是慢性应激的核心特征。

图二 补体激活驱动形成ApoE高表达的小胶质细胞状态

接下来，作者进行了RNAscope原位杂交（ISH）来定量mPFC小胶质细胞中的ApoE表达，Cx3cr1 mRNA作为小胶质细胞标记物。发现在mPFC中，慢性皮质酮给药增加了第2/3层小胶质细胞中ApoE mRNA水平，而不是第5/6层。此外，C3基因敲除消除了小胶质细胞中ApoE表达的层特异性增加。这些数据表明，补体激活驱动了ApoE高表达小胶质细胞状态的形成。

图三 C3基因敲除小鼠免受应激诱导行为缺陷的影响

为了评估C3基因敲除是否导致缺乏应激诱导的小胶质细胞和突触反应，作者接下来评估了对照组和CORT处理的C3−/−小鼠mPFC中VGlut2/PSD95突触密度和小胶质细胞吞噬VGlut2突触的情况。发现缺乏C3的小鼠受到保护，免受CORT诱导的小胶质细胞吞噬突触和第2/3层突触丢失的影响。这些数据表明，在C3−/−小鼠中，应激诱导的小胶质细胞突触吞噬和突触密度的层特异性变化被消除。最后在两个行为任务中评估了C3−/−和野生型小鼠，分别是评估快感缺失的SPT任务和用于工作记忆的时间物体识别（TOR）任务。作者发现野生型小鼠在SPT任务中容易受到CORT诱导的快感缺失的影响。此外，野生型小鼠容易受到CORT诱导的工作记忆障碍的影响。相比之下，CORT处理的野生型小鼠工作记忆受损，对旧的和最近的物体进行了同等的探索。因此，作者的数据表明C3−/−小鼠对应激诱导的快感缺失和工作记忆缺陷具有抵抗力。

综上所述，神经影像学研究揭示了在许多脑部疾病中，包括抑郁症、精神分裂症和其他主要精神疾病，灰质体积（GMV）减少的疾病特异性和可复制的模式。虽然GMV是一个包含胶质细胞、血管和神经元树突以及突触体积的复杂度量，但纵向研究表明GMV的轨迹与青春期和成年早期突触修剪增加导致的树突棘丢失的神经病理学研究在时间上相关，这表明突触丢失是GMV减少的主要作用因素。终生的逆境可以通过异质性的补体系统和小胶质细胞激活，导致大脑体积在空间上的异质性减少，而这些过程的区域调节在神经精神疾病的异质性中起着重要作用。

文章来源：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54007-5

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