法国科学家揭示星形胶质细胞通道缺陷与脆性X综合征相关

脆性X综合征（FXS）是一种遗传性形式的智力残疾，由与mRNA结合的脆性X智力迟钝蛋白（FMRP）的丧失引起。FXS的特征是神经元的过度兴奋性和行为缺陷，但这些关键功能障碍的机制尚不清楚。

基于此，2024年4月27日法国国家科学研究中心Nathalie Rouach研究团队在Nature communications杂志发表了“Astroglial Kir4.1 potassium channel deficit drives neuronal hyperexcitability and behavioral defects in Fragile X syndrome mouse model”揭示了星形胶质细胞Kir4.1钾通道缺陷导致脆性X综合征小鼠模型中的神经元过度兴奋和行为缺陷。

作者使用雄性FMR1敲除小鼠（脆性X综合征是由于脆性X智力低下1（FMR1）基因沉默引起的一种常见的单基因神经发育疾病，具有典型的ASD症状。FMR1敲除小鼠存在以胼胝体为主的白质发育异常、皮质纹状体环路缺陷以及mGluR5抑制剂可以部分恢复异常的大脑连接的特点）FXS模型，发现了细胞外钾稳态异常，以及星形胶质细胞中钾通道Kir4.1的表达和功能受损。此外，还发现Kir4.1 mRNA是FMRP的结合靶点。最后发现星形胶质细胞Kir4.1的缺陷是FMR1敲除小鼠神经元过度兴奋性和一些行为缺陷的基础。FMR1敲除小鼠的Kir4.1通道专门流向海马星形胶质细胞，挽救了正常星形胶质细胞钾摄取、神经元兴奋性以及认知和社会表现。作者的研究结果揭示了星形胶质细胞功能障碍在FXS的病理生理学中的重要作用，并确定了Kir4.1通道是FXS的潜在治疗靶点。

图一 FMR1 KO星形胶质细胞中Kir4.1的表达降低

作者首先探究FMRP缺失是否改变了Kir4.1在星形胶质细胞中的表达或分布。对Kir4.1和GFAP进行免疫组化，标记海马切片星形胶质细胞，发现Kir4.1标记减少，Kir4.1表达的下降并不是由于星形胶质细胞形态的改变，因为它在FMR1 KO海马中没有改变。此外，作者发现WT和FMR1 KO小鼠之间的Kir4.1径向分布没有差异，然而，FMR1 KO星形胶质细胞的分布曲线向较低的值移动，证实了Kir4.1强度的降低。在FMR1 KO小鼠中，Kir4.1表达的下降是区域特异性的。接下来，研究了在FMR1 KO小鼠中推测的功能性Kir4.1通道的表达。免疫印迹分析，发现FMR1 KO海马中Kir4.1膜表达降低。总之，在FMR1 KO海马中，Kir4.1的表达降低。

图二 星形胶质细胞Kir4.1 mRNA是FMRP的一个靶点

FMR1 KO雄性小鼠星形胶质细胞中Kir4.1表达的减少以及相关的Kir4.1-介导的 K+清除的损伤使作者进一步检测Kir4.1 mRNA是否是FMRP的靶点。为了检测Kir4.1 mRNA是否与FMRP相关，使用一种特异性的抗FMRP抗体偶联磁珠，在WT雄性小鼠的FMRP免疫沉淀中检测到Kir4.1mRNA，但在FMR1 KO小鼠中没有检测到。此外，为了证实FMRP与Kir4.1 mRNA的相互作用，将Kir4.1 mRNA的荧光原位杂交（FISH）标记与FMRP的免疫荧光相结合。发现荧光Kir4.1 mRNA和FMRP在WT海马组织中共定位。这些数据表明星形胶质细胞Kir4.1 mRNA是FMRP的翻译调控的靶点。

图三 恢复星形胶质细胞Kir4.1可以挽救FMR1基因敲除小鼠的行为缺陷

FXS患者表现出许多行为缺陷，包括海马依赖的认知和社交障碍。作者采用了新物体识别（NOR）试验评估将Kir4.1-GFP注入海马星形胶质细胞是否能挽救FMR1 KO雄性小鼠的认知障碍。NOR测试用于测量基于小鼠对新奇性的自然偏好的识别记忆，在训练阶段，雄性小鼠被引入两个相同的物体，然后在测试阶段，一个熟悉的物体被一个新的物体取代。然后通过探索新奇物体和熟悉物体的相对时间来评估识别记忆。在训练阶段，与注射GFP的WT和FMR1 KO小鼠相比，注射Kir4.1-GFP的FMR1 KO小鼠对两种相同的物体表现出相似的识别指数。然而，在测试阶段，注射GFP的WT小鼠表现出对新物体的偏好，而注射GFP的FMR1 KO小鼠未能区分熟悉物体和新物体。结果表明，FMR1 KO小鼠对新奇性的偏好降低。将Kir4.1-GFP注入FMR1 KO星形胶质细胞中，挽救了识别记忆损伤至WT水平，表明星形胶质细胞Kir4.1通道使FMR1 KO小鼠的认知表现正常化。FXS患者在社交方面表现出困难，这在FMR1 KO小鼠中被发现为辨别社交新颖性的能力受损。作者使用三箱社交测试评估小鼠的社会互动的认知方面，该范式基于小鼠对社交新奇性的偏好。在社交阶段，测试小鼠暴露于陌生的小鼠和物体中，而在社会识别阶段，物体被一只新的陌生的小鼠取代。在社会识别阶段，FMR1 KO小鼠未能区分熟悉和陌生小鼠。以上数据表明，FMR1 KO小鼠的Kir4.1缺陷有助于海马体依赖的认知和社交异常，这表明星形胶质细胞Kir4.1通道是改善FXS相关行为表型的一个有前途的治疗靶点。

总结：

作者通过关注星形胶质细胞在FXS中的作用，证明Kir4.1功能障碍是细胞外K+稳态受损、神经元过度兴奋性和行为缺陷的主要原因。在此，作者认为恢复FXS患者海马中的Kir4.1功能可能是治疗神经元过度兴奋性和认知缺陷的一种很有前途的治疗策略。

文章来源：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47681-y