分子生物学先驱Sydney Brenner教授说过：“科学的进步依赖于新技术、新发现和新想法，并且大致是按这个顺序进行的。”（1）。这句话正好适用于星形胶质细胞研究：新技术和方法的使用带来了意想不到的发现和可验证的假说。
图源：University of Copenhagen
星形胶质细胞是中枢神经系统（CNS）中胶质细胞的一种。它们与神经元、其他胶质细胞和血管细胞等多种细胞相互作用，并与许多脑部疾病有关。虽然在星形胶质细胞领域已取得了很多进展，但是该领域仍缺乏有关它们如何执行其多种功能，以及如何以及何时影响与其相互作用的神经回路活动的详细研究。研究瓶颈是缺乏可靠的方法，无法在体内研究成年脊椎动物CNS中的星形胶质细胞。
然而，近年来用于分子生物学、遗传学、形态学和生理学的方法有了进一步改进，并且正在用于系统地记录和研究体内的星形胶质细胞。
Baljit S. Khakh教授
来自University of California的Baljit S. Khakh教授团队总结了四个最新的、与星形胶质细胞相关的话题，涉及生物学的多个领域。
话题一、揭开分子和机制的面纱
对星形胶质细胞基因和蛋白质表达进行全面的分析，有助于揭示复杂现象，并为探索实验提供初步指导。目前已有几种星形胶质细胞转录和翻译谱的相关研究，包括使用体外培养的星形胶质细胞分子图谱进行早期评估、体内星形胶质细胞分子图谱的选择性基因靶向研究、以及单细胞水平星形胶质细胞的分子特征。
这部分研究需要注意的是：
- 首先，研究星形胶质细胞的必要步骤是纯化细胞，且不在此过程中引入分子改变，体内星形胶质细胞的完整转录情况可能无法通过纯化的星形胶质细胞体现，从而影响后续分析。
- 其次，确保方法对不同的星形胶质细胞亚群具有选择性，因为许多报告基因系和抗体不是完全特异性的，且不会普遍地靶向所有星形胶质细胞。
- 第三，星形胶质细胞转录组随脑区的不同而变化，如果不知道所研究的星形胶质细胞所在的脑区，或无法通过实验说明问题。了解组成不同脑区复杂星形胶质细胞的详细蛋白质组学将更有助于发现其生理功能。
话题二、基因靶向
尽管用于体内靶向操纵星形胶质细胞的小鼠品系有很重要的研究意义，然而，并没有一种“完美”的小鼠品系。
图1. 靶向星形胶质细胞的转基因小鼠品系和病毒载体
图1中总结了用于星形胶质细胞研究的主要小鼠品系及特性，包括表达Cre重组酶的品系以及病毒载体。目前，最可靠的小鼠品系是Aldh1l1-Cre/ERT2（2），最可靠的病毒是将AAV2/5与GfaABC1D启动子结合使用（3,4）。
话题三、探索形态学
星形胶质细胞形态不均匀且高度复杂，在不同脑区内或脑区之间都有所不同，在生理和病理状态下动态变化，因此，可靠地观测和跟踪星形胶质细胞形态学变化至关重要。图2总结了星形胶质细胞在不同尺度下的形态学研究方法。
图2: 星形胶质细胞形态学研究方法。图左为研究星形胶质细胞的尺度，右侧列出了目前的实验方法。
目前的主要挑战是开发实时成像方法，这依赖于组织固定方法、自动化示踪技术以及机器学习等。仍有许多问题待解决，例如，在一个给定的脑区，具有相似但可分离形态的星形胶质细胞是否具有不同的功能？调节区域内和区域间星形胶质细胞形态的分子机制是什么？星形胶质细胞的结构重排是神经元可塑性或病理生理学的原因还是结果？
话题四、探索钙信号
与神经元相比，星形胶质细胞不产生动作电位，因此长期以来被视为缺乏动态信号。随着研究方法的改进，这种观点开始改变，约30年前，在星形胶质细胞中发现了胞内Ca2 信号，这些信号被认为是星形胶质细胞发挥生理功能的基础，但是星形胶质细胞Ca2 动力学机制还不清楚，图3总结了操控星形胶质细胞胞内Ca2 信号传导的方法。包括LiGluR、DREADDs、ChR2、melanopsin、opto-XRs增加星形胶质细胞钙信号，以及靶向IP3或CalEx降低星形胶质细胞钙信号等。
图3 操控星形胶质细胞胞内Ca2 信号传导的方法。
目前已经开发出多种针对Ca2 、神经递质和神经调节剂的基因编码传感器，未来更多传感器的开发将使研究人员能够直接监测星形胶质细胞Ca2 的下游效应。
结束语
过去的几年里，在探索成年小鼠星形胶质细胞分子机制、信号转导和功能的方法和技术方面取得了可喜的进展，尽管如此，仍需进一步的技术改革与进步。利用目前可用的方法和技术，可以设计实验来探索从分子到系统的星形胶质细胞生物学。
需要更多的方法来探索神经系统的各种细胞，包括星形胶质细胞、神经元和小胶质细胞，如何在健康、神经免疫和脑-外周交互中相互作用。这些方法和技术可能会开辟全新的生物学领域，涉及神经元和神经胶质细胞如何在大脑中协同工作，以及大脑如何响应感觉输入并控制身体活动。研究人员对模型、方法、技术的全方位掌控，对神经胶质生物学的发展至关重要，并可能催生出细胞生物学和医学的重大突破。
Baljit S. Khakh实验室主页：https://www.physiology.ucla.edu/Labs/khakh/index.htm
参考文献：
（1）Brenner, S. Life sentences: Detective Rummage investigates. Genome Biol. 3, 1013.1–1013.2 (2002).
（2）Srinivasan, R. et al. New transgenic mouse lines for selectively targeting astrocytes and studying calcium signals in astrocyte processes in situ and in vivo. Neuron 92, 1181–1195 (2016).
（3）Nagai, J. et al. Hyperactivity with disrupted attention by activation of an astrocyte synaptogenic cue. Cell 177, 1280–1292.e20 (2019).
（4）Cui, Y. et al. Astroglial Kir4.1 in the lateral habenula drives neuronal bursts in depression. Nature 554, 323–327 (2018).
作者信息编译作者： Victoria（brainnews创作团队）
校审： Simon（brainnews编辑部）
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