DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57924-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40087317
تاريخ النشر: 2025-03-14
المؤلف: Dongmei Chi وآخرون
الموضوع الرئيسي: توجيه المحاور وإشارات الخلايا العصبية
نظرة عامة
تستكشف هذه القسم من ورقة البحث دور الخلايا النجمية في القشرة الجبهية (PFC) فيما يتعلق باضطراب الاكتئاب الشديد (MDD). يستخدم المؤلفون تسلسل RNA أحادي النواة لإظهار انخفاض كبير في عدد الخلايا النجمية وإشارة مستقبل بروتين التيروزين فوسفاتاز النوع Z1 (PTN-PTPRZ1) المعطلة، والتي تعتبر حاسمة للتواصل بين الخلايا النجمية والعصبونات المثيرة في PFC لمرضى MDD الذكور. بالإضافة إلى ذلك، لوحظت تخفيضات مماثلة في عدد الخلايا النجمية ومستويات PTN في PFC الظهرية الوسطى لذكور الفئران الذين تعرضوا لنماذج ضغط مزمن للاكتئاب.
تظهر الدراسة أيضًا أن تقليل PTN الخلوي النجم يؤدي إلى سلوكيات شبيهة بالاكتئاب، والتي يمكن عكسها من خلال مكملات PTN الخارجية أو التعبير المفرط عن PTN الخلوي النجم. من المهم أن تكون التأثيرات المضادة للاكتئاب لـ PTN الخلوي النجم مرتبطة بتفاعله مع PTPRZ1 في العصبونات المثيرة، مما ينشط مسار إشارة AKT لتعديل الاستجابات المتعلقة بالاكتئاب. تشير هذه النتائج إلى أن مسار إشارة PTN-PTPRZ1-AKT قد يكون هدفًا علاجيًا واعدًا لـ MDD، مما يبرز العلاقة المعقدة بين الخلايا النجمية ووظيفة العصبونات في سياق هذا الاضطراب النفسي الشائع.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام ذكور الفئران C57/BL6 وذكور الفئران Aldh1l1-Cre/ERT2، وكلاهما بعمر 8-10 أسابيع، للتحقيق في معايير بيولوجية وسلوكية متنوعة. تم الحصول على الفئران من معهد الحيوانات التجريبية لمركز الحيوانات التجريبية لطب غوانغدونغ ومختبر جاكسون، على التوالي. تم الحفاظ عليها في ظروف بيئية محكومة، بما في ذلك دورة ضوء/ظلام لمدة 12 ساعة، ودرجة حرارة 25 ± 1 °C، ورطوبة 50%، مع وصول مستمر إلى الطعام والماء.
بالنسبة للإجراءات التجريبية، تم تخصيص عشرة فئران لكل مجموعة للاختبارات السلوكية، وتسجيلات كهربائية، وتحليل الشوكات الشجرية، بينما تم تخصيص ستة فئران لكل مجموعة لـ RT-PCR، وWestern blotting (WB)، وImmunohistochemistry (IHC). التزمت جميع المنهجيات بالمعايير الأخلاقية، حيث حصلت على موافقة من لجنة الاستخدام بمركز سرطان جامعة صن يات-سن ولجنة رعاية الحيوانات، بما يتماشى مع إرشادات المعاهد الوطنية للصحة (NIH).
نتائج
في هذه الدراسة، تم بناء أطلس شامل للتسلسل الجيني أحادي النواة للقشرة الجبهية البشرية للتحقيق في التركيب الخلوي والآليات الكامنة وراء اضطراب الاكتئاب الشديد (MDD). استخدمت التحليلات بيانات تسلسل RNA أحادي النواة (snRNA-seq) من منطقة برودمان 9 (BA9) من القشرة الجبهية الظهرية الجانبية (dlPFC) من 17 مريضًا ذكريًا مصابًا بـ MDD و17 ضابطًا صحيًا مطابقًا. بعد تطبيق تدابير مراقبة الجودة، تم الاحتفاظ بإجمالي 71,565 من النسخ النووية، تتكون من 39,801 من مرضى MDD و31,764 من الضوابط. تمت معالجة البيانات باستخدام خط أنابيب Seurat وتم دمجها مع خوارزمية Harmony لمعالجة تأثيرات الدفعة، مما أدى إلى توزيع موحد للعناصر عبر المجموعات.
تم تصنيف النوى إلى سبعة أنواع رئيسية من الخلايا بناءً على تعبير العلامات الكلاسيكية: العصبونات المثيرة (n = 46,180)، العصبونات المثبطة (n = 13,641)، الخلايا النجمية (n = 3,510)، الخلايا الدبقية (n = 4,662)، خلايا سلف الخلايا الدبقية (n = 2,139)، الخلايا البطانية (n = 330)، والميكروغليا/البلاعم (n = 1,103). من الجدير بالذكر أن الطبيعة عالية الدقة لبيانات أحادي النواة مكنت من تصنيف إضافي للعصبونات المثيرة والمثبطة بناءً على أنماط تعبير الجينات المميزة، مما يعزز من توصيف بنية الخلايا القشرية. كانت نتائج التجميع متسقة مع الدراسات السابقة، مما يؤكد موثوقية النتائج ويساهم في فهم الأساس الخلوي لـ MDD في القشرة الجبهية.
مناقشة
تسلط النتائج من هذه الدراسة الضوء على الدور المحوري للخلايا النجمية في الفيزيولوجيا المرضية لاضطراب الاكتئاب الشديد (MDD). من خلال تسلسل RNA أحادي النواة (snRNA-seq) وتحليلات CellChat، لوحظ انخفاض كبير في نسب الخلايا النجمية في القشرة الجبهية الظهرية الجانبية (dlPFC) لمرضى MDD مقارنة بالضوابط الصحية. تم تأكيد هذا الانخفاض من خلال تجارب حية في نماذج الفئران للاكتئاب الناتج عن ضغط القيود المزمن (CRS) وضغط الهزيمة الاجتماعية المزمن (CSDS)، والتي كشفت أيضًا عن انخفاض التعبير عن بروتين الخلايا النجمية PTN (Pleiotrophin). أظهرت الدراسة أن PTN الخلوي النجم ضروري لتعديل قابلية العصبونات ووظيفة المشابك؛ أدى تقليله إلى سلوكيات شبيهة بالاكتئاب، بينما خففت مكملات PTN الخارجية أو زيادة التعبير في الخلايا النجمية من هذه السلوكيات.
علاوة على ذلك، تم تحديد التفاعل بين PTN الخلوي النجم ومستقبل PTPRZ1 في العصبونات المثيرة كآلية رئيسية من خلالها يمارس PTN تأثيراته المضادة للاكتئاب، مما ينشط مسار إشارة AKT. تشير النتائج إلى أن الخلايا النجمية لا تؤثر فقط على النقل العصبي الغلوتاماتي، ولكنها تلعب أيضًا دورًا حاسمًا في اللدونة المشبكية والالتهاب العصبي، والتي تعتبر أساسية لفهم الآليات الكامنة وراء MDD. بشكل عام، تؤكد هذه الأبحاث على أهمية الخلايا النجمية ومسارات الإشارة الخاصة بها في تطوير وعلاج MDD المحتمل، مما يشير إلى أن استهداف وظائف الخلايا النجمية قد يوفر طرقًا علاجية جديدة لإدارة هذا الاضطراب.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57924-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40087317
Publication Date: 2025-03-14
Author(s): Dongmei Chi et al.
Primary Topic: Axon Guidance and Neuronal Signaling
Overview
This section of the research paper investigates the role of astrocytes in the prefrontal cortex (PFC) concerning major depressive disorder (MDD). The authors utilize single-nucleus RNA sequencing to demonstrate a significant reduction in astrocyte populations and impaired pleiotrophin-protein tyrosine phosphatase receptor type Z1 (PTN-PTPRZ1) signaling, which is crucial for astrocyte-to-excitatory neuron communication in the PFC of male MDD patients. Additionally, similar reductions in astrocytes and PTN levels are observed in the dorsomedial PFC of male mice subjected to chronic stress models of depression.
The study further reveals that the knockdown of astrocytic PTN leads to depression-like behaviors, which can be reversed through exogenous PTN supplementation or overexpression of astrocytic PTN. Importantly, the antidepressant effects of astrocytic PTN are contingent upon its interaction with PTPRZ1 in excitatory neurons, activating the AKT signaling pathway to modulate depression-related responses. These findings suggest that the PTN-PTPRZ1-AKT signaling pathway may serve as a promising therapeutic target for MDD, highlighting the intricate relationship between astrocytes and neuronal function in the context of this prevalent mental disorder.
Methods
In this study, male C57/BL6 mice and male Aldh1l1-Cre/ERT2 mice, both aged 8-10 weeks, were utilized to investigate various biological and behavioral parameters. The mice were sourced from the Institute of Experimental Animals of Guangdong Medicine Experimental Animal Center and the Jackson Laboratory, respectively. They were maintained under controlled environmental conditions, including a 12-hour light/dark cycle, a temperature of 25 ± 1 °C, and 50% humidity, with continuous access to food and water.
For the experimental procedures, ten mice per group were allocated for behavioral tests, electrophysiological recordings, and dendritic spine analysis, while six mice per group were designated for RT-PCR, western blotting (WB), and immunohistochemistry (IHC). All methodologies adhered to ethical standards, receiving approval from the Use Committee of Sun Yat-sen University Cancer Center and the Animal Care Committee, in compliance with the National Institutes of Health (NIH) guidelines.
Results
In this study, a comprehensive single-nucleus transcriptomic atlas of the human prefrontal cortex was constructed to investigate the cellular composition and mechanisms underlying major depressive disorder (MDD). The analysis utilized single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) data from Brodmann area 9 (BA9) of the dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC) from 17 male MDD patients and 17 matched healthy controls. After applying quality control measures, a total of 71,565 nuclear transcriptomes were retained, comprising 39,801 from MDD patients and 31,764 from controls. The data were processed using the Seurat pipeline and integrated with the Harmony algorithm to address batch effects, resulting in a uniform distribution of samples across groups.
The nuclei were classified into seven major cell types based on canonical marker expression: excitatory neurons (n = 46,180), inhibitory neurons (n = 13,641), astrocytes (n = 3,510), oligodendrocytes (n = 4,662), oligodendrocyte precursor cells (n = 2,139), endothelial cells (n = 330), and microglia/macrophages (n = 1,103). Notably, the high-resolution nature of the single-nucleus data enabled further subtyping of excitatory and inhibitory neurons based on distinct gene expression patterns, enhancing the characterization of cortical cellular architecture. The clustering results were consistent with previous studies, affirming the reliability of the findings and contributing to the understanding of the cellular basis of MDD in the prefrontal cortex.
Discussion
The findings from this study highlight the pivotal role of astrocytes in the pathophysiology of Major Depressive Disorder (MDD). Through single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) and CellChat analyses, a significant reduction in astrocyte proportions was observed in the dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC) of MDD patients compared to healthy controls. This reduction was corroborated by in vivo experiments in mouse models of depression induced by chronic restraint stress (CRS) and chronic social defeat stress (CSDS), which also revealed diminished expression of the astrocytic protein PTN (Pleiotrophin). The study demonstrated that astrocytic PTN is crucial for modulating neuronal excitability and synaptic function; its knockdown led to depression-like behaviors, while exogenous PTN supplementation or upregulation in astrocytes alleviated these behaviors.
Moreover, the interaction between astrocytic PTN and the receptor PTPRZ1 in excitatory neurons was identified as a key mechanism through which PTN exerts its antidepressant effects, activating the AKT signaling pathway. The results suggest that astrocytes not only influence glutamatergic neurotransmission but also play a critical role in synaptic plasticity and neuroinflammation, which are essential for understanding MDD’s underlying mechanisms. Overall, this research underscores the importance of astrocytes and their signaling pathways in the development and potential treatment of MDD, suggesting that targeting astrocytic functions may offer new therapeutic avenues for managing this disorder.