| 導讀 | 長(cháng)久以來(lái)，人們一直認為下丘腦視交叉上核SCN是調節生物節律的總司令。但是近日發(fā)表于Current Biology上的一項研究表明，星形膠質(zhì)細胞可能與SCN神經(jīng)元相互作用，影響著(zhù)SCN的生物鐘。 |
自然界所有生物的生命活動(dòng)都存在節律現象。生物鐘調控著(zhù)我們的睡眠覺(jué)醒、體溫變化、免疫系統……長(cháng)期以來(lái)，提到生物鐘，生物學(xué)家們可能首先會(huì )聯(lián)想到位于下丘腦的視交叉上核（SCN），SCN大約由20,000個(gè)神經(jīng)元組成，它是哺乳動(dòng)物的大腦中的生物節律起搏器。SCN根據自然界光-暗周期調控生理和活動(dòng)節律，并能通過(guò)激素和神經(jīng)信號調節外周生物鐘。
不過(guò)，3月23日在線(xiàn)發(fā)表于Current Biology上的一項研究另辟蹊徑，華盛頓大學(xué)的Herzog和他的同事們將焦點(diǎn)放在了和SCN神經(jīng)元混在一起的6000多個(gè)星形膠質(zhì)細胞上。這項新研究表明，星形膠質(zhì)細胞能夠幫助設定SCN的節奏從而影響小鼠的日常節律。
星形膠質(zhì)細胞，是哺乳動(dòng)物腦內分布最廣泛的一類(lèi)細胞，也是膠質(zhì)細胞中體積最大的一種。它們伸展充填在神經(jīng)細胞的胞體及其突起之間，起支持、引導和分隔神經(jīng)細胞的作用。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明星形膠質(zhì)細胞在大腦中還有許多更加重要復雜的功能。它們可以分泌一些神經(jīng)營(yíng)養因子和細胞因子，成強化突觸，鞏固學(xué)習。事實(shí)上，科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始提三方突觸（tripartite synapse）這一概念，強調星形膠質(zhì)細胞在神經(jīng)元間交流中的作用。
除了干細胞這樣的特例，機體中幾乎所有的細胞都存在生物節律，在大腦中分布廣泛的星形膠質(zhì)細胞也不例外。這種節律周期是由一系列生物鐘基因控制的，其中就包括核心鐘基因Bmal1和Clock。Herzog腦中自然而然地浮現出幾個(gè)問(wèn)題，SCN中的星形膠質(zhì)細胞有什么用？它們是否也有時(shí)間觀(guān)念？如果它們也存在節律，那這些星形細胞的如何與SCN神經(jīng)元鐘生物鐘相互作用？
Herzog在2005年回答了第一個(gè)問(wèn)題——是的，星形膠質(zhì)細胞也有日常節律——但是之后研究就陷入了僵局。為了弄清楚星形膠質(zhì)細胞在細胞和活體動(dòng)物中的作用，科學(xué)家必須能夠獨立于與之交纏的神經(jīng)元來(lái)操縱它們。在當時(shí)，能輕易地進(jìn)行這項工作的工具還沒(méi)有。
在這個(gè)SCN切片中，紅色熒光代表星形膠質(zhì)細胞特有的結構蛋白，綠色熒光為鐘基因表達蛋白，圖中可見(jiàn)這兩種蛋白存在共定位。圖片來(lái)源：參考文獻
現在，Herzog的研究生Matt Tso，該論文的第一作者，已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。他設計的工具允許SCN中的星形膠質(zhì)細胞獨立于神經(jīng)元進(jìn)行操作。使用這種方法，研究人員改變星形膠質(zhì)細胞生物鐘并監測轉輪運動(dòng)中小鼠的日常節律行為。
研究人員刪除小鼠SCN中星形膠質(zhì)細胞的核心鐘基因Bmal1，并監測小鼠每天開(kāi)始轉輪的時(shí)間變化。通常情況下，在持續黑暗條件下的小鼠每隔23.7小時(shí)將開(kāi)始一次轉輪，偏差不會(huì )超過(guò)10分鐘。研究發(fā)現，刪除星形膠質(zhì)細胞的鐘基因可以讓SCN的生物鐘變慢——這些小鼠爬進(jìn)轉輪的時(shí)間比對照組晚了一個(gè)小時(shí) “這十分令人意外，我們不知道它們影響力這么大?！?Tso說(shuō)。
接下來(lái)的實(shí)驗結果更令人興奮，研究人員構建了一種突變小鼠，使其生物鐘“更快”，然后再在星形膠質(zhì)細胞而非神經(jīng)元中回補這種突變。這意味星形膠質(zhì)細胞的生物鐘以正常的節律運行，而神經(jīng)元的生物鐘仍然很快。
研究人員以為，SCN會(huì )跟隨神經(jīng)元生物鐘的步伐。SCN中的神經(jīng)元比星形膠質(zhì)細胞多了10倍左右。但事實(shí)上，星形膠質(zhì)細胞生物鐘復原的小鼠比星形膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元生物鐘都加快的小鼠進(jìn)入轉輪的時(shí)間晚了2個(gè)小時(shí)。
研究人員目前還不知道為何星形膠質(zhì)細胞在生物節律中扮演了如此重要的角色，以及它們如何與神經(jīng)元相互作用。不過(guò)，研究人員正在在規劃后續實(shí)驗。了解這些生物鐘在大腦和身體中的如何工作，在哪工作至關(guān)重要，因為它們的影響十分普遍。Herzog已經(jīng)在觀(guān)察晝夜節律與腦癌，早產(chǎn)，躁狂抑郁等疾病的關(guān)系。
參考資料：
Astrocytes Regulate Daily Rhythms in the Suprachiasmatic Nucleus and Behavior
Astrocytes found to keep time for brain, behavior
Astrocytes are active partners in neural information processing [ 1, 2 ]. However, the roles of astrocytes in regulating behavior remain unclear [ 3, 4 ]. Because astrocytes have persistent circadian clock gene expression and ATP release in vitro [ 5–8 ], we hypothesized that they regulate daily rhythms in neurons and behavior. Here, we demonstrated that daily rhythms in astrocytes within the mammalian master circadian pacemaker, the suprachiasmatic nucleus (SCN), determine the period of wheel-running activity. Ablating the essential clock gene Bmal1 specifically in SCN astrocytes lengthened the circadian period of clock gene expression in the SCN and in locomotor behavior. Similarly, excision of the short-period CK1ε tau mutation specifically from SCN astrocytes resulted in lengthened rhythms in the SCN and behavior. These results indicate that astrocytes within the SCN communicate to neurons to determine circadian rhythms in physiology and in rest activity.
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