哺乳动物的大脑皮层可分为六层，由神经元组成，它们具有共同的投射模式、分子标记和内在生理特性。星形胶质细胞是中枢神经系统（CNS）中最丰富的胶质细胞类型，负责支持皮层回路活动所需的一系列功能，包括神经递质再摄取、维持离子稳态以及参与突触形成和消除。同时，神经元对星形胶质细胞参与层特异的分子发育调控具有支持补充作用。Sonic Hedgehog(Shh)因其在神经系统发育早期模式中有重要作用而广为人知，其主要定位于皮层深层的成熟星形胶质细胞中。
最近，来自哈佛大学医学院的研究团队揭示了大脑皮层中的星形胶质细胞通过Shh驱动发育程序，并表明神经源性Shh对于调节突触形成和功能有重要作用。
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1. 大脑皮层发育过程中Shh受体Ptch1
在星形胶质细胞中特异表达
Ptch1的激活对于神经系统发育是必需的，为了明确其作用，作者用USPTCH1 LacZ突变小鼠表征了Ptch1表达的时间空间特异性。βGal+细胞主要分布在皮层第四至第六层。到出生后15天（P15）时，与P5相比，第1层表达Ptch1细胞的密度显著增加。这一结果表明：在发育过程中，Ptch1在皮层层动态表达，并在整个成年期保持高水平。
之后研究人员通过免疫荧光染色确定了Ptch1的表达位置，发现主要由星形胶质细胞表达，到P60时，Ptch1在成熟神经元亚群中的表达开始减弱。
此外，作者还评估了Ptch1cKO星形胶质细胞Shh信号水平增加时差异基因的表达情况，星形胶质细胞中Ptch1缺失促进了皮层富集基因的表达。
图1.在发育过程中Ptch1在皮层星形胶质细胞中特异表达
2. 维持细胞分子特征所必需的Shh信号
为了研究大脑皮层第五层（V层）神经元源性的Shh是否对维持皮层细胞中靶基因的表达有作用，作者特异性地敲除了皮层神经元中的Shh基因，结果显示：与野生型（WT）对照组小鼠相比，基因敲除（KO）小鼠的Ptch1、Gli1和Shh的表达显著降低，KIR4、KIR5表达减少。
作者还检测了KO小鼠皮层星形胶质细胞基因RIG1和L33、非富含层SPARC mRNA和蛋白表达均减少。结果还表明，V层皮层神经元Shh的分泌是维持富含该层的星形胶质细胞基因所必需的，神经元源性Shh能促进皮层深层星形胶质细胞的基因表达。
图2.Shh基因敲除（KO）后其靶基因表达下降
3. Shh信号是星形胶质细胞形态发生
和神经元突触覆盖所必需的
作者为了确定星形细胞是否需要神经元源性Shh表达才能获得其独特的形态特征，他们利用电穿孔法（PALE）对出生后小鼠的星形胶质细胞进行标记，并使用编码膜和核GFP（pCAG-mTdT-2A-H2BGFP）的质粒对WT和SHH cKO小鼠的整个皮层进行解析标记。实验结果表明，与对照组WT相比，Shh cKO小鼠深层星形胶质细胞的形态复杂性显著降低，而浅层星形胶质细胞没有变化。
接下来作者使用EM成像对突触的结构特征进行了定量分析，与对照组相比，没有检测到ShhcKO皮层II层或V层突触密度的变化，与星形胶质细胞发育过程相关的突触比例也没有变化。但与WT相比，KO组中这两层被星形胶质细胞包围的突触界面周长显著减少，表明ShhcKO中的星形胶质细胞与周围深层神经元的结构联系较少，但积累了大量标记的糖原颗粒，并增加了GFAP阳性（GFAP+）细胞的密度。
以上结果表明，皮层中的Shh信号对于星形胶质细胞形态发生和星形胶质细胞-神经元结构的正确连接是必要的。
图3.Shh敲除减少了星形胶质细胞形态复杂性和神经突触的覆盖
4. 星形胶质细胞Ptch1缺失促进皮层突触形成，RIG1和SPARCD对星形胶质细胞形态发生和突触形成也有一定作用
突出前/后标记使用VGLUT1（V1前）/PSD95（V1后）、VGluT2（V2前）/PSD95（V2后），以其共定位来追踪突触，并分别代表皮层兴奋性和丘脑皮层兴奋性输入。作者发现，在第二层和第五层的Ptch1cKO的星形细胞结构域中，V1和V2共定位的点密度显著增加。
作者通过检测急性脑片中第五层锥体神经元的自发微兴奋性突触后电流（mEPSCs），探究了TCH1 cKO中谷氨酸能突触的增加是否会导致功能连接的改变。与WT相比，Ptch1cKO脑片中第五层神经元自发mEPSC的频率增加（35.75%），而mEPSC幅度、输入电阻和膜电容没有变化。
以上结果表明，PTCH1的丢失导致星形胶质细胞特异性激活Shh信号，促进谷氨酸能突触的形成，并增强II层至V层连接强度。
图4.星形胶质细胞Ptch1缺失促进皮层突触形成
结 论
神经元-胶质细胞相互作用在突触和环路形成的调节中起着关键作用，作者的研究证明了皮层星形胶质细胞中的Shh通路可以协调层特异性的突触连接。但是shh通路的调节有许多方式，文中描述的是以细胞自主删除shh配体对突触产生的影响，还有其他方式，如细胞自主删除Shh受体的方式来破坏星形细胞中的Shh信号。这可能产生截然不同的影响。
因此在未来的研究中，明确星形胶质细胞Shh信号传导的具体机制十分关键，这将为阐明不同作用方式影响Shh信号并产生不同生物学效应奠定理论基础，为日后针对Shh信号进行干预提供支持。
Xie et al., Astrocyte-neuron crosstalk through Hedgehog signaling mediates cortical synapse development, CellReports (2022), https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.110416
编译作者：原代美少女（brainnews创作团队）
校审：神经小子（brainnews编辑部）
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