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海馬體的功能輸出，是一個(gè)促進(jìn)記憶功能的大腦區(qū)域，依賴于高度協(xié)調(diào)的細(xì)胞和分子過(guò)程，在整個(gè)生命中調(diào)節(jié)突觸的可塑性。這種可塑性的結(jié)構(gòu)要求和涉及這一調(diào)控的分子事件尚不清楚。特定的分子，包括金屬蛋白酶組織抑制劑2（TIMP2）參與了海馬的可塑性過(guò)程，隨著表達(dá)的丟失，大腦衰老的作用減少。
2023年11月2日美國(guó)紐約州西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院納什家族神經(jīng)科學(xué)系Joseph M. Castellano研究團(tuán)隊(duì)在Molecular Psychiatry雜志發(fā)表了“Neuronal TIMP 2 regulates hippocampus-dependent plasticity and extracellular matrix complexity”揭示了神經(jīng)元TIMP2調(diào)節(jié)海馬體依賴的可塑性和細(xì)胞外基質(zhì)的復(fù)雜性。
在這里，作者報(bào)道了TIMP2在海馬內(nèi)的神經(jīng)元中高度表達(dá)，其缺失導(dǎo)致與成人神經(jīng)發(fā)生和樹(shù)突棘轉(zhuǎn)換相關(guān)的細(xì)胞程序的變化，并導(dǎo)致相應(yīng)的海馬依賴記憶的損傷。隨著年齡的增長(zhǎng)，觀察到的海馬中細(xì)胞外基質(zhì)的積累一致，發(fā)現(xiàn)TIMP2減少了海馬突觸周?chē)?/span>細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的積累。此外，它的缺失導(dǎo)致了新生神經(jīng)元通過(guò)更密集的ECM網(wǎng)絡(luò)遷移。一種新的條件性TIMP2敲除模型顯示，神經(jīng)元TIMP2調(diào)節(jié)成人神經(jīng)發(fā)生、ECM的積累，并最終調(diào)節(jié)海馬體依賴的記憶。作者的研究結(jié)果定義了一種機(jī)制，即海馬體依賴的功能被TIMP2及其與ECM的相互作用所調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)與突觸可塑性相關(guān)的各種過(guò)程。
圖一 TIMP2在海馬神經(jīng)元中表達(dá)，其缺失誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄組變化
TIMP2在海馬體中相對(duì)于其他腦區(qū)表現(xiàn)高表達(dá)。為了確定海馬中TIMP2的細(xì)胞來(lái)源，并開(kāi)始探索其在該區(qū)域的功能，作者通過(guò)共聚焦顯微鏡檢測(cè)了2個(gè)月大的野生型雄性和雌性小鼠海馬的TIMP2蛋白水平。發(fā)現(xiàn)TIMP2表達(dá)的主要細(xì)胞來(lái)源在這些區(qū)域是神經(jīng)元。沒(méi)有檢測(cè)到男性和女性之間的CA3和CA1區(qū)域中TIMP2神經(jīng)元的差異表達(dá)。為了確定海馬中參與TIMP2功能的可能通路，從WT和TIMP2 KO雄性和雌性小鼠中分離海馬，并對(duì)該組織進(jìn)行RNA測(cè)序。與WT相比，TIMP2 KO共鑒定出905個(gè)差異表達(dá)基因，其中TIMP2為最高DEG，在這些基因中，有449個(gè)DEGs在TIMP2 KO海馬中被下調(diào)。為了深入了解改變的轉(zhuǎn)錄組可能如何反映改變的生物過(guò)程，進(jìn)行了基因集合富集分析。TIMP2 KO中下調(diào)的DEGs在許多與可塑性相關(guān)的基因本體論生物過(guò)程中被富集，包括“細(xì)胞形態(tài)發(fā)生”、“神經(jīng)發(fā)生”和“突觸組織”。TIMP2 KO中上調(diào)的DEGs在“調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡”等功能中富集。表明TIMP2可能參與了可塑性過(guò)程。
圖二 TIMP2是成人齒狀回神經(jīng)發(fā)生所必需的
為了檢測(cè)TIMP2是否調(diào)控細(xì)胞的整體增殖，將WT和TIMP2 KO小鼠注射了增殖標(biāo)記物溴脫氧尿苷，該標(biāo)記物標(biāo)記了DG亞顆粒區(qū)中的增殖細(xì)胞。發(fā)現(xiàn)TIMP2 KO小鼠的DG增殖細(xì)胞明顯少于WT小鼠，這是由BrdU+細(xì)胞總數(shù)定量的。接下來(lái)，分別使用SRY-Box轉(zhuǎn)錄因子2和雙皮質(zhì)激素作為標(biāo)記物，分析了神經(jīng)祖細(xì)胞和它們最終產(chǎn)生的未成熟神經(jīng)母細(xì)胞。TIMP2的缺失導(dǎo)致Sox2+神經(jīng)前體細(xì)胞和DCX+未成熟神經(jīng)元的數(shù)量顯著減少。在心室下區(qū)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)神經(jīng)源性生態(tài)位，作者發(fā)現(xiàn)TIMP2水平較低，通過(guò)BrdU+細(xì)胞數(shù)量評(píng)估的TIMP2 KO和WT小鼠之間的增殖無(wú)法區(qū)分。發(fā)現(xiàn)TIMP2 KO小鼠的DG與WT小鼠的DG相比，新生神經(jīng)元明顯減少?？傊?，這些結(jié)果與作者發(fā)現(xiàn)的TIMP2介導(dǎo)的作用以及在轉(zhuǎn)錄組分析中發(fā)現(xiàn)的相關(guān)通路一致。
圖三 TIMP2調(diào)節(jié)齒狀回的樹(shù)突棘可塑性
在TIMP2 KO海馬中的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表明，TIMP2在海馬中調(diào)節(jié)可塑性過(guò)程，包括可能在結(jié)構(gòu)水平上的“突觸組織”。為了評(píng)估TIMP2缺失對(duì)樹(shù)突棘的影響，即記憶存儲(chǔ)的細(xì)胞底物，作者采用了一種嚴(yán)格的方法來(lái)量化樹(shù)突棘并對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。對(duì)TIMP2 KO和WT小鼠分離切片中成熟DG顆粒細(xì)胞進(jìn)行染色，進(jìn)行高分辨率成像和重建。發(fā)現(xiàn)與WT DG相比，TIMP2 KO小鼠DG中的神經(jīng)元的樹(shù)突棘密度明顯降低。然后使用自動(dòng)分類(lèi)算法基于形態(tài)學(xué)對(duì)脊柱進(jìn)行分類(lèi)和量化，與WT小鼠相比，TIMP2 KO小鼠標(biāo)記的DG神經(jīng)元中未成熟薄棘的比例明顯高于WT小鼠，而TIMP2 KO相對(duì)于WT DG神經(jīng)元的成熟蘑菇棘的比例顯著降低。蘑菇棘是一種特別穩(wěn)定的棘，被認(rèn)為是記憶的結(jié)構(gòu)相關(guān)物。在TIMP2 KO小鼠的DG神經(jīng)元中觀察到的脊髓與之前關(guān)于TIMP2調(diào)節(jié)后突觸功能改變的描述一致，包括長(zhǎng)期增強(qiáng)，這被證明受到調(diào)節(jié)TIMP2水平的影響。綜上所述，這些結(jié)果表明，TIMP2可能通過(guò)調(diào)節(jié)成人神經(jīng)發(fā)生和樹(shù)突棘的形成來(lái)促進(jìn)可塑性。
圖四 TIMP2是海馬體依賴的記憶功能所必需的
海馬體對(duì)空間記憶和學(xué)習(xí)至關(guān)重要，可能是通過(guò)調(diào)節(jié)DG中的成人神經(jīng)發(fā)生，以及通過(guò)突觸結(jié)構(gòu)的改變。在TIMP2 KO海馬中觀察到的成人神經(jīng)發(fā)生和樹(shù)突棘可塑性的變化，促使作者研究TIMP2是否參與了海馬依賴的記憶和學(xué)習(xí)。首先利用了新位置識(shí)別任務(wù)范式，其中小鼠在它們的領(lǐng)域中使用空間線索來(lái)學(xué)習(xí)和關(guān)聯(lián)物體在空間中的位置。訓(xùn)練24小時(shí)后，觀察到TIMP2 KO小鼠在移位時(shí)對(duì)訓(xùn)練對(duì)象的偏好明顯降低，這表明TIMP2在健康小鼠的空間記憶中起著關(guān)鍵作用。接下來(lái)，使用情境和線索的恐懼條件反射來(lái)評(píng)估小鼠在區(qū)分先前厭惡的訓(xùn)練情境或新的線索驅(qū)動(dòng)情境方面的能力上是否存在差異。TIMP2 KO小鼠的僵直行為顯著降低，表明在沒(méi)有TIMP2的情況下，海馬相關(guān)的辨別能力受損，而杏仁核相關(guān)的線索僵直水平?jīng)]有變化。接下來(lái)運(yùn)用巴恩斯迷宮測(cè)試發(fā)現(xiàn)，小鼠使用各種策略，利用空間線索在被照亮的迷宮表面導(dǎo)航到逃生孔。隨著認(rèn)知需求水平的增加，策略被分為非海馬依賴和海馬依賴。TIMP2 KO小鼠在執(zhí)行任務(wù)時(shí)延遲了從非海馬依賴策略向海馬依賴策略的轉(zhuǎn)換。在巴恩斯迷宮測(cè)試的第3天，與WT小鼠相比，TIMP2 KO小鼠使用海馬依賴策略的比例顯著降低。發(fā)現(xiàn)TIMP2 KO小鼠的認(rèn)知得分顯著低于WT小鼠，與TIMP2 KO小鼠海馬依賴功能受損相一致。綜上所述，這些結(jié)果表明TIMP2在調(diào)節(jié)海馬體依賴性記憶中起著關(guān)鍵作用。
圖五 TIMP2的消融導(dǎo)致了海馬體中ECM的積累
接下來(lái)，研究了可能解釋TIMP2如何調(diào)控脊柱形成和成人DG神經(jīng)發(fā)生的潛在機(jī)制。越來(lái)越多的證據(jù)表明ECM及其成分在突觸可塑性的調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用，包括脊柱重塑、成人神經(jīng)發(fā)生和認(rèn)知。作者首先評(píng)估了TIMP2 KO和WT小鼠海馬裂解液中前MMP2的水平。在沒(méi)有TIMP2的情況下，發(fā)現(xiàn)基因和蛋白水平的MMP2水平顯著升高，反映了TIMP2信號(hào)丟失后的積累，并指出了海馬中ECM周轉(zhuǎn)的潛在中斷。接下來(lái)通過(guò)體內(nèi)酶譜測(cè)量了MMP2的活性，在海馬中立體定向注射一種熒光素猝滅的明膠底物，在活性MMP2/9裂解時(shí)發(fā)出熒光，顯示WT海馬的高活性，隨著TIMP2缺失而丟失。結(jié)合作者的數(shù)據(jù)顯示，TIMP2缺失并沒(méi)有顯著改變MMP9，研究結(jié)果認(rèn)為，TIMP2缺失導(dǎo)致了MMP2的異常調(diào)控。最近的研究表明，大腦ECM水平隨著年齡的增長(zhǎng)而增加，同時(shí)與年齡依賴性認(rèn)知能力下降。在大腦中，硫酸軟骨素蛋白聚糖是ECM蛋白的主要類(lèi)。蛋白聚糖聚集聚糖是大腦神經(jīng)周網(wǎng)中表達(dá)的核心CSPG，在DG的ECM中高度富集，并與突觸可塑性和記憶有關(guān)。共聚焦成像發(fā)現(xiàn)老年小鼠海馬中聚集聚糖顯著增加，這與海馬TIMP2水平隨著年齡的增長(zhǎng)而下降顯著相關(guān)。因此分析了聚合聚糖分布在年輕的海馬WT和TIMP2 KO小鼠和發(fā)現(xiàn)TIMP2 KO小鼠表現(xiàn)出顯著增加的聚合聚糖的密度在DG分子層，同一區(qū)域，觀察到受損脊柱重塑TIMP2 KO相對(duì)于WT小鼠。與WT DG相比，TIMP2 KO小鼠的DG表現(xiàn)出聚集聚糖與Homer1的共定位顯著增加。這些數(shù)據(jù)表明，TIMP2通常促進(jìn)ECM重構(gòu)，并限制其在突觸附近的沉積。作者進(jìn)一步研究了TIMP2對(duì)新生神經(jīng)元增殖和遷移的作用。為了探索這種可能性，通過(guò)檢測(cè)SGZ中DCX+未成熟神經(jīng)母細(xì)胞相對(duì)于DG的GCL中的分布，來(lái)評(píng)估新生神經(jīng)元向分子層的遷移。檢測(cè)到與WT相比，TIMP2 KO小鼠的GCL中DCX+未成熟神經(jīng)元的分布比例顯著降低，這反映了新生神經(jīng)元在DG內(nèi)的遷移受損的過(guò)程沒(méi)有TIMP2。這些數(shù)據(jù)表明，TIMP2的缺失導(dǎo)致了一個(gè)更緊密的ECM結(jié)構(gòu)環(huán)境，從而在空間上限制了新生神經(jīng)元的遷移和突觸的可塑性，從而影響了整個(gè)成人的神經(jīng)發(fā)生和脊柱動(dòng)力學(xué)。與WT小鼠相比，檢測(cè)到TIMP2 KO的海馬中ECM微結(jié)構(gòu)以較厚的ECM纖維的形式改變?？傊陨辖Y(jié)果表明，TIMP2調(diào)節(jié)海馬體內(nèi)ECM的靈活性，以調(diào)節(jié)可塑性過(guò)程，包括成人神經(jīng)發(fā)生和脊柱可塑性。
ECM的失調(diào)與衰老的和疾病中發(fā)生的認(rèn)知功能障礙有關(guān)。隨著年齡的增長(zhǎng)，TIMP2表達(dá)的逐漸下降與記憶和ECM積累的缺陷同時(shí)發(fā)生，而使用TIMP2的系統(tǒng)治療恢復(fù)了老年小鼠的海馬相關(guān)功能。此外，ECM清除在阿爾茨海默病病理的小鼠模型中是有益的，而且越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)到，人類(lèi)DG中的成人神經(jīng)發(fā)生在阿爾茨海默病中是失調(diào)的。定義分子機(jī)制ECM的調(diào)節(jié)劑，包括TIMP2，調(diào)節(jié)健康的大腦，可能導(dǎo)致在衰老或神經(jīng)退行性變的情況下，認(rèn)知修復(fù)的新方法的發(fā)展。
https://doi.org/10.1038/s41380-023-02296-5
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