脆性X綜合征（FXS）是一種遺傳性形式的智力殘疾，由與mRNA結(jié)合的脆性X智力遲鈍蛋白（FMRP）的喪失引起。FXS的特征是神經(jīng)元的過度興奮性和行為缺陷，但這些關(guān)鍵功能障礙的機(jī)制尚不清楚。

基于此，2024年4月27日法國國家科學(xué)研究中心Nathalie Rouach研究團(tuán)隊(duì)在Nature communications雜志發(fā)表了“Astroglial Kir4.1 potassium channel deficit drives neuronal hyperexcitability and behavioral defects in Fragile X syndrome mouse model”揭示了星形膠質(zhì)細(xì)胞Kir4.1鉀通道缺陷導(dǎo)致脆性X綜合征小鼠模型中的神經(jīng)元過度興奮和行為缺陷。

作者使用雄性FMR1敲除小鼠（脆性X綜合征是由于脆性X智力低下1（FMR1）基因沉默引起的一種常見的單基因神經(jīng)發(fā)育疾病，具有典型的ASD癥狀。FMR1敲除小鼠存在以胼胝體為主的白質(zhì)發(fā)育異常、皮質(zhì)紋狀體環(huán)路缺陷以及mGluR5抑制劑可以部分恢復(fù)異常的大腦連接的特點(diǎn)）FXS模型，發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞外鉀穩(wěn)態(tài)異常，以及星形膠質(zhì)細(xì)胞中鉀通道Kir4.1的表達(dá)和功能受損。此外，還發(fā)現(xiàn)Kir4.1 mRNA是FMRP的結(jié)合靶點(diǎn)。最后發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞Kir4.1的缺陷是FMR1敲除小鼠神經(jīng)元過度興奮性和一些行為缺陷的基礎(chǔ)。FMR1敲除小鼠的Kir4.1通道專門流向海馬星形膠質(zhì)細(xì)胞，挽救了正常星形膠質(zhì)細(xì)胞鉀攝取、神經(jīng)元興奮性以及認(rèn)知和社會表現(xiàn)。作者的研究結(jié)果揭示了星形膠質(zhì)細(xì)胞功能障礙在FXS的病理生理學(xué)中的重要作用，并確定了Kir4.1通道是FXS的潛在治療靶點(diǎn)。

圖一 FMR1 KO星形膠質(zhì)細(xì)胞中Kir4.1的表達(dá)降低

作者首先探究FMRP缺失是否改變了Kir4.1在星形膠質(zhì)細(xì)胞中的表達(dá)或分布。對Kir4.1和GFAP進(jìn)行免疫組化，標(biāo)記海馬切片星形膠質(zhì)細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)Kir4.1標(biāo)記減少，Kir4.1表達(dá)的下降并不是由于星形膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)的改變，因?yàn)樗贔MR1 KO海馬中沒有改變。此外，作者發(fā)現(xiàn)WT和FMR1 KO小鼠之間的Kir4.1徑向分布沒有差異，然而，F(xiàn)MR1 KO星形膠質(zhì)細(xì)胞的分布曲線向較低的值移動，證實(shí)了Kir4.1強(qiáng)度的降低。在FMR1 KO小鼠中，Kir4.1表達(dá)的下降是區(qū)域特異性的。接下來，研究了在FMR1 KO小鼠中推測的功能性Kir4.1通道的表達(dá)。免疫印跡分析，發(fā)現(xiàn)FMR1 KO海馬中Kir4.1膜表達(dá)降低。總之，在FMR1 KO海馬中，Kir4.1的表達(dá)降低。

圖二 星形膠質(zhì)細(xì)胞Kir4.1 mRNA是FMRP的一個靶點(diǎn)

FMR1 KO雄性小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中Kir4.1表達(dá)的減少以及相關(guān)的Kir4.1-介導(dǎo)的 K+清除的損傷使作者進(jìn)一步檢測Kir4.1 mRNA是否是FMRP的靶點(diǎn)。為了檢測Kir4.1 mRNA是否與FMRP相關(guān)，使用一種特異性的抗FMRP抗體偶聯(lián)磁珠，在WT雄性小鼠的FMRP免疫沉淀中檢測到Kir4.1mRNA，但在FMR1 KO小鼠中沒有檢測到。此外，為了證實(shí)FMRP與Kir4.1 mRNA的相互作用，將Kir4.1 mRNA的熒光原位雜交（FISH）標(biāo)記與FMRP的免疫熒光相結(jié)合。發(fā)現(xiàn)熒光Kir4.1 mRNA和FMRP在WT海馬組織中共定位。這些數(shù)據(jù)表明星形膠質(zhì)細(xì)胞Kir4.1 mRNA是FMRP的翻譯調(diào)控的靶點(diǎn)。

圖三 恢復(fù)星形膠質(zhì)細(xì)胞Kir4.1可以挽救FMR1基因敲除小鼠的行為缺陷

FXS患者表現(xiàn)出許多行為缺陷，包括海馬依賴的認(rèn)知和社交障礙。作者采用了新物體識別（NOR）試驗(yàn)評估將Kir4.1-GFP注入海馬星形膠質(zhì)細(xì)胞是否能挽救FMR1 KO雄性小鼠的認(rèn)知障礙。NOR測試用于測量基于小鼠對新奇性的自然偏好的識別記憶，在訓(xùn)練階段，雄性小鼠被引入兩個相同的物體，然后在測試階段，一個熟悉的物體被一個新的物體取代。然后通過探索新奇物體和熟悉物體的相對時間來評估識別記憶。在訓(xùn)練階段，與注射GFP的WT和FMR1 KO小鼠相比，注射Kir4.1-GFP的FMR1 KO小鼠對兩種相同的物體表現(xiàn)出相似的識別指數(shù)。然而，在測試階段，注射GFP的WT小鼠表現(xiàn)出對新物體的偏好，而注射GFP的FMR1 KO小鼠未能區(qū)分熟悉物體和新物體。結(jié)果表明，F(xiàn)MR1 KO小鼠對新奇性的偏好降低。將Kir4.1-GFP注入FMR1 KO星形膠質(zhì)細(xì)胞中，挽救了識別記憶損傷至WT水平，表明星形膠質(zhì)細(xì)胞Kir4.1通道使FMR1 KO小鼠的認(rèn)知表現(xiàn)正常化。FXS患者在社交方面表現(xiàn)出困難，這在FMR1 KO小鼠中被發(fā)現(xiàn)為辨別社交新穎性的能力受損。作者使用三箱社交測試評估小鼠的社會互動的認(rèn)知方面，該范式基于小鼠對社交新奇性的偏好。在社交階段，測試小鼠暴露于陌生的小鼠和物體中，而在社會識別階段，物體被一只新的陌生的小鼠取代。在社會識別階段，F(xiàn)MR1 KO小鼠未能區(qū)分熟悉和陌生小鼠。以上數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)MR1 KO小鼠的Kir4.1缺陷有助于海馬體依賴的認(rèn)知和社交異常，這表明星形膠質(zhì)細(xì)胞Kir4.1通道是改善FXS相關(guān)行為表型的一個有前途的治療靶點(diǎn)。

總結(jié)：

作者通過關(guān)注星形膠質(zhì)細(xì)胞在FXS中的作用，證明Kir4.1功能障礙是細(xì)胞外K+穩(wěn)態(tài)受損、神經(jīng)元過度興奮性和行為缺陷的主要原因。在此，作者認(rèn)為恢復(fù)FXS患者海馬中的Kir4.1功能可能是治療神經(jīng)元過度興奮性和認(rèn)知缺陷的一種很有前途的治療策略。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47681-y