神经胶质细胞调控黑腹果蝇生理行为研究进展
2022-04-24王孟晓何淑君
王孟晓，何淑君
神经胶质细胞调控黑腹果蝇生理行为研究进展
王孟晓，何淑君
上海科技大学生命科学与技术学院，上海 201210
生物机体的神经系统由神经元和神经胶质细胞(简称胶质细胞，glia)两部分组成。目前，对神经元的研究已经非常广泛，但是有关胶质细胞的功能研究仍然所知甚少。由于胶质细胞不具兴奋性，无法像神经元一样传递动作电位，传统观点认为胶质细胞主要起到支撑神经元并维持其正常功能的作用。近年来，越来越多的研究结果表明，胶质细胞参与调控生物机体的各种生理行为。其中，通过黑腹果蝇()研究了胶质细胞的重要性，证实胶质细胞参与调控果蝇的神经发育、营养代谢、睡眠、寿命、细胞凋亡、求偶、嗅觉和学习记忆等生理活动。本文详细总结了胶质细胞调控果蝇不同生理活动的相关研究进展，并对其功能进行了探究和展望。
果蝇；神经系统；神经胶质细胞；发育；寿命；代谢；行为
中枢神经系统是动物机体感知到外界信号后进行整合并做出相应行为的重要调节中心，由成千上万个互相连接的神经元及大量的神经胶质细胞(简称胶质细胞)所组成[1]。神经元的特征是以动作电位的形式快速传递电信号，而胶质细胞无兴奋性，无法传递动作电位。胶质细胞是大脑中最丰富的细胞类型，基于其异质性，胶质细胞可以被分为多种亚型，而各亚型之间形态与结构都具有显著差异。目前，人们对于这些胶质细胞不同亚型的功能还知之甚少。研究初期，胶质细胞被认为只起到对神经元进行支撑和辅助的作用，但是近年来研究显示，胶质细胞的功能复杂且多样化，除了作为填充物质存在于各个神经元之间[1]，胶质细胞还参与调控神经前体细胞增殖分化、轴突延伸与重塑及记忆睡眠等生理行为。在机体发育的整个过程以及机体作为一个独立的个体继续生存发展的过程中，胶质细胞所扮演的角色都是不可忽略的。
黑腹果蝇(，简称果蝇)的胶质细胞与哺乳动物非常相似，其占比达到机体所有神经细胞的10%，有利于研究人员用其进行胶质细胞对机体影响的相关研究[2]。本文概述了果蝇中存在的胶质细胞亚型[3]，总结了这些胶质细胞对机体各种生理行为的影响及相关作用机制，从胶质细胞对机体发育、营养代谢、细胞凋亡、睡眠、求偶、运动、嗅觉和学习记忆等几大行为的影响出发，有助于对果蝇胶质细胞功能的认识，进一步理解胶质细胞对于果蝇神经系统形成、机体维持正常行为功能和健康状态的作用[4]。
1 果蝇胶质细胞分类
根据在中枢神经系统中的形态、功能和位置，哺乳动物的胶质细胞可分类为小胶质细胞(microglia)、星形胶质细胞(astrocytes)及少突胶质细胞(oligodendrocytes) (图1A)。少突胶质细胞将髓鞘包裹在轴突外围以起到加速神经元信号传递的作用，星形胶质细胞包裹血管和突触为神经元提供能量并维持内环境的稳态，小胶质细胞则起到清道夫的作用，通过吞噬作用去除不适当的突触连接，与神经系统发育过程中的突触重塑有关[5]。
果蝇与哺乳动物的胶质细胞具有许多相似的特征，包括介导轴突包覆、突触功能及神经元和胶质细胞互作。在果蝇体内，根据胶质细胞与中枢神经系统基本区域的联系，可将胶质细胞分为3类：表面胶质细胞(surface glia)，皮层胶质细胞(cortex glia) 和神经束相关胶质细胞(neuropile associated glia)；根据它们的形态与拓扑学结构，可以分为5类(图1B)：神经束膜胶质细胞(perineurial glia)，亚神经束膜胶质细胞(subperineurial glia)，皮层胶质细胞，鞘胶质细胞(ensheathing glia)和星形胶质细胞(astrocytes)。因为第二种分类方法更细致且更具有区域差异性，是果蝇胶质细胞研究中比较常用的分类方法，也有研究人员根据这种分类方法制作出能特异性标记不同胶质细胞群体的GAL4和LexA工具，更加方便后续对胶质细胞进行形态学相关的功能研究[6](图2)。神经束膜胶质细胞与亚神经束膜胶质细胞位于果蝇大脑的最外层(图2，C和E)，同属于表面胶质细胞，协同合作在果蝇大脑表层形成果蝇的血脑屏障(blood brain barrier, BBB)，帮助果蝇筛选所需的营养成分[7]，对脑损伤的修复也有重要作用[8]。皮层胶质细胞位于表面胶质细胞的下一层(图2D)，也被称为细胞体相关神经胶质细胞，因为它可以同时包裹多个神经元细胞体，起到支撑和提供养分的作用[9]。鞘胶质细胞和星形胶质细胞则属于神经束相关胶质细胞，它们位于神经束周围形成包裹的鞘状结构，鞘胶质细胞已经被证明可以清除脑损伤后的退化轴突碎片[10]，星形胶质细胞则在神经元与胶质细胞之间进行信息传递时发挥不可忽视的重要作用[11]。综上所述，胶质细胞在维持神经系统正常运作过程中承担着不可取代的作用，通过多种方法影响机体的行为活动。
2 胶质细胞参与调控果蝇生理行为
胶质细胞数量约占果蝇神经系统的10%。根据胶质细胞的形态与位置分布，果蝇胶质细胞的分类已经相对完善。即便如此，胶质细胞在成年果蝇生理行为中的作用还不是很清楚。本文总结了胶质细胞在果蝇日常生理行为中如发育、摄食、睡眠、求偶、运动、嗅觉学习与记忆等的作用机制，进一步细化了果蝇胶质细胞的具体功能。同时本文也总结了胶质细胞功能异常时对这些生理行为的影响，以期为胶质细胞参与可能的相关疾病发生发展研究提供思路(图3)。
图1 哺乳动物与果蝇体内胶质细胞的分类
A：哺乳动物中枢神经系统；B：果蝇中枢神经系统。
图2 果蝇大脑中胶质细胞的分类
A：总胶质细胞；B：星形胶质细胞；C：亚神经束膜胶质细胞；D：皮层胶质细胞；E：神经束膜胶质细胞；F：鞘胶质细胞。
2.1 发育
果蝇属于变态发育的生物，其发育需要经过4个阶段，分别是卵(egg)、幼虫(larvae)、蛹(pupa)和成虫(adult)。在其所经历的整个过程中，果蝇的中枢神经系统也进行了变态发育，虽然许多幼虫神经元
在变态过程中被保存下来，但它们都经历了明显的重塑。大量新的、成虫特有的神经元也出现在变态发育后的果蝇体内。这些细胞是在幼虫时期由胚胎神经母细胞分化而来，在变态过程中成熟为功能性神经元[12]。
2.1.1影响胶质细胞组胺释放调控神经元的发育
是一个调控果蝇感光的基因。有研究证明，基因突变会导致果蝇趋光性降低[13]，表明其光感受细胞受损。在果蝇眼睛上皮神经胶质细胞中表达，且其蛋白表达位置靠近视叶中各自神经桩内的光感受器末端释放组胺的部位，故认为在视神经胶质细胞中表达的位点与组胺释放位点之间存在空间对应关系。就时间而言，表达出现在蛹阶段的后半期，在组胺样免疫反应开始之后，推测作用于胶质细胞影响组胺释放，从而调控神经元的发育[14,15]。
图3 胶质细胞参与调控果蝇生理行为
2.1.2 胶质细胞通过嘌呤能信号影响发育
有证据表明胶质细胞通过多种途径释放嘌呤能信号。其中，干扰星形胶质细胞中的突触小泡释放蛋白的功能，会抑制嘌呤能的释放。星形胶质细胞可以通过释放嘌呤能进一步水解成腺苷来抑制神经元发育。细胞因子和生长因子的释放受嘌呤能受体影响，并可影响细胞增殖。在嘌呤能信号与生长因子之间协同效应的情况下，受体的激活增强了生长因子从星形胶质细胞中的释放；在嘌呤能信号与生长因子之间拮抗效应的情况下，受体被激活会抑制细胞的发育，甚至导致细胞死亡。
2.1.3 dSmurf通过调节Hedgehog受体Patched及Fasciclin II粘附蛋白的稳定性影响磨菇体发育
蘑菇体(mushroom body)是果蝇的学习记忆中心，该结构类似于人类的海马体。研究发现，果蝇胶质细胞中的泛素化连接酶dSmurf调节Hedgehog信号通路受体Patched与细胞黏附蛋白Fasciclin II的稳定性，影响蘑菇体神经前体细胞的增殖分化及神经元轴突的粘附，进而调控果蝇大脑学习记忆中枢蘑菇体的发育过程[16]。此外，dSmurf在蘑菇体发育早期通过调控其γ神经元的剪切与重塑来影响其发育[17]。
2.1.4 Slimb和Ago介导GCM泛素化，从而调控胶质细胞增殖分化
介导泛素化的泛素连接酶(ubiquitin ligase, E3)如Skp1-Cullin-F-box(SCF)复合物是由Skp1 (S-phase kinase associated protein)、衔接蛋白Cullin-1和提供底物特异性的F-box蛋白组成。SCF复合物与泛素化修饰降解通路对神经发育起重要作用，一旦异常将会导致许多神经系统疾病的发生。Ho等[18]研究发现，F-box蛋白Slimb (supernumerary limbs)和Ago (archipelago)通过调控转录因子GCM (glial cells missing)的泛素化，从而影响果蝇胚胎胶质细胞的增殖和分化。在和双基因突变的胚胎中，神经发育失常，胶质细胞的数目增多，但无法完整包覆神经轴突，导致神经系统发育出现障碍，动物生长异常，提前死亡。这些结果表明，调节蛋白质稳定性的泛素化修饰是调控胶质细胞增殖分化的主要通路，功能异常会导致神经系统的损坏与功能缺失，为神经胶质瘤等疾病的作用机理提供了新的理论基础与支持[18]。影响GCM泛素化的另一个关键位点是R59。已知甲状旁腺功能消退的病人带有同源基因的R59L突变，在果蝇中高度保守。在果蝇中进一步研究发现，带有R59L突变的GCM泛素化水平显著上升，蛋白水平下调，从而影响胶质细胞的增殖和分化[19]。
2.1.5 胶质细胞表达dILP诱导神经母细胞增殖分化
已知在发育过程中，果蝇胚胎神经母细胞通过一段静止期，将胚胎和胚胎后增殖阶段分开。而神经母细胞响应来自一群胶质细胞的营养依赖型信号dILP，从而退出静止状态开始增殖分化[20]。这群具有神经母细胞分化开关作用的胶质细胞就是皮层胶质细胞，对胶质细胞中的基因进行敲除或者对其表达进行干扰后，会出现果蝇血脑屏障发育障碍，引起营养供给出现问题，进一步的发育也会被迫停止[21～23]。
在哺乳动物中，胶质细胞对机体的生长发育也至关重要。在哺乳动物神经发生和早期发育过程中，神经胶质细胞为神经元的分化与正确迁移提供了支持。它们提供神经母细胞的分化线索，也参与神经元增殖调控[24]。在成年后的哺乳动物体内，胶质细胞参与维持神经元稳态和突触可塑性。例如胶质细胞中的肿瘤坏死因子TNFα释放被阻断会抑制突触的形成[25]。此外，还有很多相似的免疫蛋白或其他细胞因子在神经系统的发育过程中起着重要的作用，需要进一步研究确认。
2.2 营养代谢
2.2.1 胶质细胞构成血脑屏障参与调控营养代谢
果蝇体内的能量代谢需要神经元与胶质细胞共同参与调节，例如脑血淋巴中存在海藻糖-葡萄糖循环，该循环中两种糖的浓度代表果蝇体内的营养稳态是否正常。果蝇的周围神经胶质细胞形成血脑屏障，血脑屏障上存在多种可转运营养物质的转运蛋白，可参与运输海藻糖和葡萄糖从而参与调节果蝇的营养稳态[26]。
果蝇的血脑屏障运输了糖进入果蝇大脑，那么所运输的糖是如何发挥作用提供能量的呢？研究发现，糖酵解相关的酶存在于构成果蝇血脑屏障的胶质细胞亚型即周围神经胶质细胞中，胶质细胞内发生糖酵解过程为神经元提供能量。如果胶质细胞中的糖酵解过程被阻断，将会导致果蝇的神经元不能正常工作，果蝇会死亡[27]。
2.2.2 表面胶质细胞参与运输氨基酸
神经元的特性使其工作时需要大量底物和代谢产物，除了提供营养的糖分之外，还需要提供其他营养物质。在果蝇中，与脊椎动物相同的10种氨基酸是必不可少的[28]，转录组数据与原位杂交实验结果表明有23种氨基酸转运蛋白在果蝇的表面神经胶质细胞中表达，参与果蝇脑内氨基酸的运输[29]。这些蛋白包括EAAT1(excitatory amino acid transporter 1)、EAAT2 (excitatory amino acid transporter 2)、VGLUT (glutamate vesicular transporter)、VGAT (vesicular GABA transporter) 及MDR65 (multidrug resistance65)，MDR65与哺乳动物体内的MDR1 (multidrug resistance1)具有42%的同源性，承担着非常重要的蛋白质营养运输任务[30]。
2.3 寿命
2.3.1 胶质细胞中EDTP下调抑制多聚谷氨酰胺蛋白聚集并延长黑腹果蝇寿命
在25℃的规范饲养条件下，果蝇正常的生命周期为30天左右，但是在某些疾病或其他因素的影响下，果蝇的寿命也会出现缩短或延长。果蝇卵源性酪氨酸磷酸酶(egg-derived tyrosine phosphatase, EDTP)是一种脂质磷酸酶，对卵细胞产生和肌肉功能至关重要，在非肌肉组织中下调哺乳动物EDTP同源基因会促进自噬，延长机体寿命[31]。研究发现，在果蝇神经胶质细胞中下调EDTP表达抑制聚谷氨酰胺蛋白聚集体(polyQ)的表达，增强自噬，清除多余的废物，同时延长了果蝇的寿命[32]。
2.3.2 胶质细胞中缺失载脂蛋白D的同源物Lazarillo会缩短果蝇寿命
脊椎动物载脂蛋白D (ApoD)是一种在神经发育和衰老过程中从神经元和胶质细胞亚群分泌的脂质运载蛋白。ApoD的过度表达与众多神经系统疾病、肥胖、糖尿病和多种癌症之间存在很强的相关性[33]。果蝇中ApoD的同源物Lazarillo (GLaz)主要在成虫神经胶质细胞的亚群中表达。缺乏GLaz会降低生物体对氧化应激和饥饿的抵抗力，并缩短果蝇的寿命[34]。
2.4 睡眠
睡眠是生物机体不可缺少的正常生理行为，生物需要通过睡眠使身体的各器官得到休息，恢复身体机能，但是与睡眠相关的许多分子机制仍然未知。
2.4.1 胶质细胞中GABA转氨酶增加引起果蝇失眠
果蝇基因编码一种小的GPI锚定蛋白，其被敲除会导致果蝇日常睡眠急剧减少，睡眠时间缩短约80%。研究显示与胶质细胞中GABA转氨酶(GABAT)之间存在着不可忽视的重要联系。GABAT增加，GABA水平降低，不能正常表达，果蝇的睡眠时长缩短；反之，GABAT减少可以拯救突变体果蝇，使其恢复正常睡眠状态[35]。
2.4.2 胶质细胞中的淀粉样前体蛋白调节果蝇睡眠
淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein, App)通过产生和沉积有毒的β-淀粉样肽在阿尔茨海默病的形成中起着至关重要的作用。App在神经元与胶质细胞中大量表达，但是对于App在胶质细胞中的功能几乎一无所知。研究发现在星形胶质细胞和皮质胶质细胞中抑制App的表达导致果蝇睡眠时间增长，而过表达App则产生相反的效果。这些睡眠表型的变化与星形胶质细胞中谷氨酰胺合成酶(glutamine synthase, GS)表达和皮质胶质细胞中间隙连接成分innexin2的变化相关，App的表达被抑制会导致GS与innexin2的减少，进而增长果蝇的睡眠时间[36]。
2.4.3 胶质细胞Serca调节果蝇的睡眠节律
生物机体的昼夜节律稳定是维持生物体正常生理行为的一大保障。基于胶质细胞在神经系统中的占比及其在其他方面的重要作用，认为胶质细胞也参与调控机体的昼夜节律。Serca是果蝇体内重要的离子通道，主要介导钙离子的运输，通过将离子从胞质溶泵入内质网来调节细胞中钙离子浓度。研究发现，干扰果蝇胶质细胞中Serca的功能会导致细胞内钙离子浓度上升，使果蝇的昼夜节律发生紊乱，出现睡眠时间不定的情况，且果蝇会出现心律失常的情况[37]。
2.4.4 阻断胶质细胞内的囊泡运输可促进果蝇睡眠
成年果蝇胶质细胞中内吞动力蛋白(dynamin)负责囊泡运输，表达Shibirets1阻断其功能会增加果蝇的睡眠时长，提高果蝇的睡眠需求。此外，Rab蛋白是划分运输区室的膜结合GTP酶家族，可调节细胞内如胞吐和内吞的囊泡运动。研究发现胶质细胞中Rab11具有睡眠调节作用，睡眠期间血脑屏障胶质细胞的内吞作用增加[38]。
2.4.5 星形胶质细胞中下调Eiger表达影响果蝇睡眠时长
已知哺乳动物中的肿瘤坏死因子-α (tumour necrosis factor-α, TNFα)可以调节睡眠，前期研究发现，果蝇中TNFα同系物Eiger也介导果蝇的睡眠行为。在星形胶质细胞中敲低Eiger的表达会显著减少果蝇睡眠持续时长，完全敲除Eiger则会导致果蝇无法调节睡眠不足导致的稳态失衡[39,40]。
2.5 细胞凋亡
机体对于凋亡细胞的清除是保证机体稳定高效运转的必要条件。对胶质细胞的研究发现，机体神经损伤会触发神经胶质细胞的快速反应，包括胶质细胞迁移和对受损神经元的吞噬清除。但目前控制这些复杂胶质细胞免疫反应的程序仍不清楚，需要进一步探究。
2.5.1 MMP-1诱导胶质细胞对损伤轴突的清除
机体神经损伤会触发胶质细胞的快速反应，包括胶质细胞迁移和对受损神经元的吞噬清除。但控制先天胶质细胞免疫应答的转录程序仍不清楚。通过RNA测序(RNA-seq)技术分析损伤诱导的基因表达变化，发现不同的信号响应基因，其中细胞因子基质金属蛋白酶-1 (matrix metalloproteinase-1, MMP-1)，会在果蝇中诱导胶质细胞对切断的轴突作出反应，清除已经损伤的轴突碎片，实现对神经元的保护。在MMP-1不能正常表达的果蝇中，胶质细胞不能正确地浸润神经元损伤区域，因此不能清除退化的轴突碎片[10]。
2.5.2 胶质细胞通过吞噬清除凋亡的细胞
果蝇胚胎中枢神经系统中的细胞死亡也是通过细胞凋亡进行的，凋亡细胞不会在中枢神经系统中积聚，而是被吞噬细胞不断清除和吞噬。为了确定胚胎时期胶质细胞是否可以作为吞噬细胞参与细胞凋亡过程，Sonnenfeld等[41]对果蝇中枢神经系统进行连续电子显微镜切片，发现神经系统中的凋亡细胞被各种胶质细胞吞噬，该过程包括中线胶质细胞和表面胶质细胞的参与。这说明在胚胎时期，胶质细胞也是参与机体细胞凋亡不可或缺的重要成分。
果蝇大脑神经束周围一般存在两种胶质细胞，分别是鞘胶质细胞与星形胶质细胞。鞘胶质细胞虽然包裹果蝇的大脑，但是它与果蝇的神经突触之间没有什么特殊的联系，研究发现，它的功能在于对急性轴突切断后充当吞噬细胞轴突损伤作出反应。基于Draper受体的信号通路是介导胶质细胞吞噬的主要途径，清除受损大脑中的退化轴突。进一步的研究发现Shark是一种类似于哺乳动物Syk和Zap-70的非受体酪氨酸激酶，是Draper信号级联反应的一部分，对于在退化轴突的吞噬过程中启动Draper下游的吞噬信号至关重要，Shark的功能受到干扰会使胶质细胞丧失对受损轴突的清除功能，影响果蝇体内有胶质细胞参与的细胞凋亡[42]。
2.5.4 EGFR/RAS/MAPK 通路的激活抑制促凋亡蛋白HID使中线胶质细胞存活
相邻细胞通过分泌细胞外因子相互控制其存活的营养机制，在决定细胞数量方面起着重要作用。然而，营养信号如何抑制细胞死亡仍然知之甚少。果蝇中线神经胶质细胞(midline glia)是胚胎发生过程中神经系统形态发生和中线轴突引导所必需的胶质细胞类型，在起源、基因表达和功能上，其类似于脊椎动物神经管的底板。果蝇中线神经胶质细胞的存活取决于通过神经元与胶质细胞的接触，激活EGFR/RAS/MAPK通路后直接抑制促凋亡蛋白HID。TGFα样配体SPITZ在神经元中被激活，神经胶质细胞竞争有限数量的分泌型SPITZ以求生存。在未能激活EGFR通路的中线胶质细胞中，HID阻断Diap1 (inhibitor of apoptosis protein 1)参与信号通路，使中线胶质细胞发生凋亡[43]。
在哺乳动物受到损伤或刺激出现炎症反应时，T细胞可能与中枢神经系统中的神经胶质细胞和神经元相互作用，从而接收如TCR连接、共刺激或凋亡诱导等信号，调控细胞凋亡。如果神经胶质细胞表达II类MHC分子，它可以将抗原肽呈递给CD4+T细胞。TCR连接上调CD95表达并诱导T细胞表达CD95L，从而诱导细胞凋亡。如果神经胶质细胞表达CD80或CD86等共刺激分子，则可能通过CD28向T细胞提供共刺激信号，从而诱导抗凋亡蛋白的产生。相比之下，如果神经胶质细胞表达CD95L，它会连接T细胞CD95并诱导细胞凋亡。神经胶质细胞也可能产生其他如NO等促凋亡信号，从而诱导T细胞凋亡[44]。
2.6 求偶
果蝇的繁殖需要雌雄果蝇交配后雌果蝇产卵，雄果蝇在性成熟之后会通过各种方式吸引雌果蝇与其交配。前期研究表明，神经元调控求偶的过程，但是随着研究的深入，胶质细胞也逐渐被发现调控这种生理行为。Spinster (Spin)是一种新型的膜蛋白，其主要表达位置位于胶质细胞和雌果蝇卵巢的卵泡表面。在胶质细胞中抑制Spin蛋白的表达会导致部分神经元无法程序性死亡，多余的神经元存在会影响雌果蝇卵巢的发育，从而导致雌果蝇拒绝雄果蝇的求偶行为[45]。
2.7 运动
正常的果蝇具有6条腿和1对翅膀，平时靠行走和飞翔实现移动及生活中必须经历的觅食、逃跑、移动等生理行为。本文详述了胶质细胞在这些机体运动行为中的作用。
2.7.1 胶质细胞功能障碍引起果蝇ALS样行为
肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)除了肢体僵硬的肢体表型之外，在细胞层面的特征是细胞质聚集和TAR DNA结合蛋白43 (transactive response DNA binding protein-43, TDP-43)的核清除。对果蝇、斑马鱼()和小鼠()的研究表明，神经元TDP-43功能障碍与疾病的形成有关。在胶质细胞和肌肉细胞中也观察到TDP-43聚集体，果蝇胶质细胞中TDP-43功能的丧失会导致出现其运动缺陷[46]。
L-谷氨酸是主要的大脑兴奋性神经递质和强大的神经毒素，谷氨酸兴奋毒性是诱发缺血性脑外伤的部分原因，例如在ALS的多种神经变性疾病中都已发现L-谷氨酸的毒性作用。果蝇中唯一一种高亲和力谷氨酸的转运蛋白(dEAAT1)选择性地存在于靠近突触的神经束膜和胶质细胞中。对dEAAT1的正常功能进行干扰会使果蝇的运动能力下降，出现肢体僵硬的状况。在果蝇中表达人类谷氨酸转运蛋白(hEAAT2)或在食物中施用利鲁唑(riluzole，一种用于人类ALS患者临床的抗兴奋性毒剂)则可以挽救这种行为缺陷，说明该蛋白对果蝇正常活动的重要性[11]。
2.7.2 胶质细胞中hAtx1突变导致果蝇出现运动功能障碍
在果蝇中表达人类突变亨廷顿蛋白(hHtt103Q)的同源物ataxin-1 (hAtx1-82Q)，通过分析形态和行为表型，发现与已有的果蝇ALS模型相似。在胶质细胞中表达hAtx1-82Q时导致果蝇发育异常，无法存活至成虫阶段。部分表达hAtx1-82Q的果蝇蛹头部和脑部明显缩小，出现大脑结构的极度破坏。其他表达hAtx1-82Q的蛹也表现出脑萎缩和神经元连接异常。这些结果表明，胶质细胞中hAtx1突变会导致果蝇运动神经元的形态发生变化，果蝇的运动能力也出现问题[47]。
2.7.3 胶质细胞分泌Sema2a调控果蝇行走
果蝇腿部的运动需要运动神经元与肌肉细胞协调合作，运动神经元发育形成适当的细胞结构，以确保突触后肌肉和突触前神经元的连接。与神经元相关的周围胶质细胞也有助于运动神经元与肌肉的连接。Plexin/Semaphorin信号传导在神经元系统中树突和轴突形态的发育中起作用，该信号通路需要PlexA和Sema1a参与，使运动神经元轴突正确靶向腿部特定肌肉，此时Sema2a不会以自主方式对腿部运动神经元发育起作用，但是在胶质细胞中人为地过表达Sema2a时会导致腿部运动神经元明显的树突缺陷，影响果蝇腿部的发育，进而影响果蝇的运动能力[48]。
2.7.4 胶质细胞中Draper缺失导致果蝇出现运动功能障碍
阿尔茨海默病(Alzheimerʼs disease, AD)是老龄化人群中常见的神经退行性疾病。作为大脑中的主要免疫应答者，胶质细胞逐渐被认为是AD和相关疾病发生和进展的关键参与者。AD患者的一大行为表现是患者的运动能力会下降，四肢出现僵硬化现象。对果蝇研究发现，胶质细胞中吞噬受体Draper 在AD的果蝇模型中具有保护作用，可降低淀粉样蛋白β肽(Aβ)的水平，逆转运动缺陷，Draper的缺失则会导致运动障碍[49]。
2.7.5 胶质细胞中谷氨酸/GABA/谷氨酰胺循环相关基因的转录调控果蝇的运动
前期的研究发现，在成年果蝇胶质细胞中通过对microRNA的筛选，发现了胶质细胞发育决定因素的重要作用。缺失会显著缩短果蝇的寿命，引发运动缺陷，并增加癫痫发作的敏感性，原因是谷氨酸/GABA/谷氨酰胺循环受损。胶质细胞中谷氨酸/GABA/谷氨酰胺循环的基因转录调控在调控神经元中的神经递质水平及其行为输出方面起到关键作用，这些调控环节出错时会影响果蝇的正常运动能力[50]。
哺乳动物中胶质细胞影响机体行为的研究较多，用小鼠、猴子()等模式生物进行实验，构建了许多帕金森病(Parkinson's disease, PD)、肌萎缩侧索硬化(ALS)相关模型。从解决困扰人类已久的疾病的角度出发，证实了胶质细胞调控机体行为的作用机制。但是，完全研究清楚从胶质细胞到机体表型的具体环节依旧困难重重，通过调控胶质细胞来进行临床的治疗也仍然是遥不可及。在未来可以从该角度出发，探究出可运用于临床疾病治疗的胶质细胞疗法[51]。
2.8 嗅觉
胶质细胞表达多种神经递质、神经肽和生长因子的受体，当神经元释放这些物质时，会激活这些受体与胶质细胞内相应的机制，调控生理行为。其中，果蝇通过嗅觉系统感知味道，产生进一步的觅食行为，也是通过神经元与胶质细胞相辅相成，共同协作实现的。
2.8.1 果蝇嗅觉系统中ACh介导胶质细胞与神经元之间的信息传递
果蝇嗅觉受体和触角神经叶(antennal lobe, AL)胶质细胞之间存在生理上的相互作用，嗅觉受体神经元接收到气体的刺激，导致AL周围和嗅觉神经元输入区的胶质细胞钙离子浓度增加，这种气体刺激诱导的钙离子瞬间变化能被Ach受体nAChRs的拮抗剂阻断。乙酰胆碱(acetylcholine, ACh)可以激活烟碱和毒蕈碱受体，受体与G蛋白偶联，可导致钙离子从胶质细胞内中释放出来，从而消除气味刺激引起的细胞反应。所以，调控胶质细胞上的受体反应也可以间接调控果蝇的嗅觉感知能力[52]。
2.8.2 星形胶质细胞通过调节ORN-PN突触强度影响果蝇嗅觉
果蝇的AL是嗅觉系统的第一个信息处理中心，嗅觉受体神经元(olfactory receptor neurons, ORN)将信息传输到投射神经元(projection neuron, PN)中[53]。先前的证据表明，星形胶质细胞与AL区的突触密切相关，使用体内钙成像技术，发现AL中星形胶质细胞表现出自发的微量钙升高。人为操纵胶质细胞活动同时监测神经元功能，发现星形胶质细胞激活，可以抑制PN的气味诱发反应。表明星形胶质细胞可以通过负调节ORN-PN突触强度来调节果蝇嗅觉[54]。
嗅觉失灵是许多神经退行性疾病所伴随的临床症状之一，基于这一临床表征，研究人员进行了相关机制的探索。通过对小鼠大脑嗅球周围的胶质细胞功能进行阻断，会导致小鼠的嗅觉失灵，然而胶质细胞恢复正常功能后会使机体的嗅觉功能恢复[55]。另有研究表明，哺乳动物中的胶质细胞对于机体嗅觉神经系统的修复也起着重要的作用[56]。有关胶质细胞调控嗅觉的机制仍所知甚少，这对于探究帕金森病或新型冠状病毒感染后的嗅觉损伤有很大的局限性，这些问题亟待解决。
2.9 学习记忆
所有机体都必须通过记忆来保证自己的日常行为，果蝇大脑中也存在掌管学习记忆功能的区域，且在日常活动中，也需要通过形成固有的记忆来帮助自己更便捷地寻找食物和规避风险。所以，有关果蝇学习记忆的研究具有重要的科学意义。
胶质细胞中EAAT1的过表达可以挽救果蝇长时间记忆随年龄增长而下降的相关损伤。
果蝇长期记忆(long time memory, LTM)的形成需要胶质细胞相关基因的表达。Klingon (klg)是一种在神经元和胶质细胞中表达的细胞粘附分子，定位于神经元和胶质细胞的连接处。已知LTM需要两种细胞类型中klg的表达，klg可诱导胶质细胞转录因子repo的表达，在klg突变体和敲降的果蝇品系中repo的表达量出现降低。研究发现人为增加胶质细胞中的repo表达足以恢复klg敲降品系中的LTM。这些数据表明神经元活动增强了klg介导的神经元–胶质细胞相互作用，导致repo在神经胶质细胞中表达增加，从而调控LTM[57]。此外，研究表明repo也调控谷氨酸转运蛋白EAAT1的表达，巩固LTM的形成。klgrepo和EAAT1的表达随年龄增长而降低，而repo或EAAT1的过表达可以挽救LTM中与年龄相关的损伤[58]，这些结果表明klgrepoEAAT1通路功能对LTM形成起关键作用。
胶质细胞调控哺乳动物学习与记忆的研究越来越多，目前的文献报道显示少突胶质细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞对小鼠记忆的形成与保持皆具有重要的作用。星形胶质细胞的激活会增强记忆的形成，少突胶质细胞功能异常会影响记忆的保持，小胶质细胞上的相关配体则参与记忆和遗忘[59～61]。胶质细胞在各个环节都起到了重要的作用，共同参与哺乳动物学习与记忆的过程。
综上所述，本文对胶质细胞参与调控果蝇各种生理行为进行了归纳总结，详见表1。
表1 胶质细胞参与调控果蝇生理行为
3 结语与展望
在模式生物果蝇体内，胶质细胞承担了一系列重要功能，主要参与机体发育、营养代谢、睡眠、寿命、细胞凋亡、运动、求偶、嗅觉和学习记忆等行为，在任何环节胶质细胞出现功能异常都会导致果蝇正常的生理功能出现紊乱。本文详细归纳了不同亚型胶质细胞的分化源头与定义规则，总结了一部分亚型的胶质细胞所承担的果蝇机体内生理活动。从果蝇到哺乳动物，控制胶质细胞功能的分子机制在进化上是保守的[65]，以果蝇为对象进行研究能够高效且准确地得到结果，明确哺乳动物体内胶质细胞在生理行为调控方面的作用。
神经胶质细胞是人类大脑中含量最高的细胞，但是对其研究还处于初始阶段。过去10年的大量工作表明，神经胶质细胞是神经系统发育、功能和健康的关键调节剂[66]。胶质细胞不仅承担着细胞结构间的支撑作用，而且是健康和疾病中突触形成、功能、可塑性和消除的强大控制者。了解神经胶质细胞和神经元之间的信号传导对深入了解神经系统如何工作提供新的参考，并为治疗神经疾病提供新的靶点[67]。
致谢：
感谢本课题组张敏、张柿平、王红蕾和汪林芳对本文的讨论与建议。
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(责任编委: 韩俊海)
Recent advances on the role of glia in physiological behaviors: insights from
Mengxiao Wang, Margaret S. Ho
The animal central nervous system is composed of neurons and neuroglia (glia). Extensive research on neurons have shown that they are the major cells to transduce signals in mediating neural development and function, and the glial cells mainly play a role in supporting neurons and maintaining their normal function. Nonetheless, emerging evidence has indicated that glial cells exhibit active roles in virtually all aspects of neuronal function and development. Research using the model organismreveals that glial cells are key players in the regulation of neural development, nutritional metabolism, sleep, longevity, apoptosis, courtship, smell, learning and memory and other physiological behaviors. In this review, we summarize the research progress of glial cells in regulating different physiological activities in, in hope of providing insights on the mechanisms and new prospects on future glial research.
; central nervous system; glia; development; life; metabolism; behavior
2021-11-04;
2022-03-20;
2022-04-01
国家自然科学基金项目(编号：31871039，32170962)，上海市高端外籍专家项目(编号：#21WZ2502300) 和上海科技大学启动经费资助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 31871039, 32170962), Shanghai High-end Foreigner Expert Program (No. #21WZ2502300), and Start-up fund of ShanghaiTech University]
王孟晓，在读博士研究生，专业方向：神经生物学。E-mail: wangmx1@shanghaitech.edu.cn
何淑君，博士，副教授，研究方向：神经生物学。E-mail: margareth@shanghaitech.edu.cn
10.16288/j.yczz.21-379
(责任编委: 韩俊海)
