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具有堿性螺旋-環-螺旋（bHLH）基序的轉錄因子（TF）通過激活或抑制不同靶基因的表達，在神經祖細胞（NPC）向神經元和少突膠質細胞的命運決定中發揮重要作用。神經元PAS結構域蛋白3（NPAS3）屬于TFs的bHLH PAS超家族，研究表明，攜帶bHLH結構域缺失的NPAS3缺陷小鼠顯示成年海馬神經發生和認知行為缺陷。星形膠質細胞功能障礙通過影響鄰近神經元功能而誘發多種神經系統疾病。然而，在皮質發育過程中星形膠質細胞以及星形膠質細胞-神經元通信如何調節復雜行為仍然未知，且調節NPC向星形膠質細胞分化的bHLH因子也未被研究。
2022年，8月30日，中科院北京生命科學學院孫中生與王彥課題組在cell reports上發文揭示bHLH因子（NPAS3）缺陷將損害皮質星形細胞生成并誘導自閉癥樣行為。
首先，課題組通過免疫染色發現Npas3缺陷導致小鼠發育過程中皮質星形膠質細胞生成減少。而對成年鼠的大腦評估顯示：Npas3+/-鼠的大腦重量和寬度及皮質長度顯著增加，表現出大頭畸形。結構性磁共振結果顯示Npas3+/-鼠的腦脊液、扣帶皮層、胼胝體和藍斑區域體積顯著增加；此外，體素分析結果顯示其腦脊液體積增加，而由星形膠質細胞驅動的白質體積減少。
圖1|Npas3+/-鼠腦部結構異常
隨后，課題組對兩組小鼠進行行為學測試，結果顯示：Npas3+/-鼠在社交測試階段對物體和陌生鼠的探索時間沒有差異，在社交新穎性測試階段對陌生鼠和熟悉鼠的探索時間沒有差異，即表現出社交及社交新穎性缺陷；而在超聲波發聲實驗中，Npas3+/-幼崽在P7（出生后7天）和P13與母鼠分離時發出的呼叫較少，呼叫持續時間較短；此外，Npas3+/-的自我梳理時間也顯著增加，表現出焦慮樣表型。這些結果表明Npas3缺陷導致小鼠產生ASD樣行為。
圖2|小鼠行為學測試結果
為了確定NPAS3在星形膠質細胞發生初期誘導的轉錄變化，課題組在P0期對WT和NPAS3+/-小鼠皮層進行了RNA測序，并發現與膠質細胞生成和突觸調控有關的基因表達水平下調；高爾基染色結果顯示Npas3+/-皮質II/III層錐體神經元基底樹突棘密度顯著降低，而透射電鏡的結果顯示Npas3+/-小鼠皮層中突觸后致密區PSD）的不對稱突觸的數量顯著減少，其PSD長度也顯著減少。體外培養實驗顯示：NPAS3缺陷的星形膠質細胞將減少與之共培養的神經元數量。這些結果表明星形膠質細胞的異常發生影響了星形膠質細胞-突觸的相互作用。
圖3| 體外共培養實驗結果
進一步的單細胞轉錄組數據分析顯示，Npas3缺陷將擾亂小鼠腦中放射狀膠質細胞到星形膠質細胞的正常分化，從而顯著降低星形膠質細胞的生成。ChIP測序數據的分析表明NPAS3 的結合靶點廣泛覆蓋了星形膠質細胞形成的各個過程，并涉及大腦發育、樹突發育和突觸形成的調節網絡。最后，課題組采用化學遺傳的方法在WT鼠的星形膠質細胞中特異性敲低NPAS3，發現這些小鼠同樣表現出自閉癥樣相關的形態和行為異常。
圖4|NPAS3影響樹突發育和星形膠質細胞對突觸形成的控制
總的來說，該文發現bHLH轉錄因子——NPAS3調節星形膠質細胞分化以及星形膠質細胞-神經元通訊過程，且NPAS3缺陷會導致星形膠質細胞生成異常并引發自閉癥樣行為。這項研究為bHLH轉錄因子在星形膠質細胞生成中的缺陷如何影響皮質發育和復雜行為的機制提供了見解。
