發(fā)布時(shí)間：2020-08-22
2020年8月21日，《Neuron》期刊在線發(fā)表了中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜久林研究組題為《Piezo1通道介導(dǎo)的鈣離子活動調(diào)控發(fā)育過程中大腦血管的路徑選擇》的研究論文。大腦發(fā)育過程中，血管的路徑選擇對腦血管三維網(wǎng)絡(luò)的形成至關(guān)重要。該研究以斑馬魚為模型，發(fā)現(xiàn)了大腦血管內(nèi)皮頂端細(xì)胞分支上機(jī)械敏感通道Piezo1介導(dǎo)的鈣離子活動的頻率高低決定了頂端細(xì)胞分支的收縮或伸長的命運(yùn)，從而決定血管生長的路徑選擇和腦血管三維網(wǎng)絡(luò)的形成模式。
為了探索內(nèi)皮頂端細(xì)胞路徑選擇的細(xì)胞分子機(jī)制，研究人員首先通過在體長時(shí)程成像，實(shí)時(shí)觀察幼年斑馬魚腦部內(nèi)皮頂端細(xì)胞在發(fā)育過程中的細(xì)胞形態(tài)和鈣離子活動的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮頂端細(xì)胞不斷地伸出動態(tài)性很強(qiáng)的亞細(xì)胞分支，發(fā)生縮回的分支被淘汰直至完全消失，而發(fā)生伸長的分支被穩(wěn)定下來，進(jìn)而決定了內(nèi)皮頂端細(xì)胞的生長方向。有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)腦血管內(nèi)皮頂端細(xì)胞的分支上呈現(xiàn)不同頻率的局部自發(fā)鈣離子活動。其中，高頻鈣離子活動與頂端細(xì)胞分支的收縮密切相關(guān)，而低頻鈣離子活動則與分支的伸長相關(guān)。進(jìn)一步地，研究人員通過阻斷或誘導(dǎo)局部鈣離子活動，證明了高、低頻鈣離子活動分別決定了頂端細(xì)胞分支收縮和伸長的命運(yùn)。研究人員進(jìn)而對局部鈣活動的來源進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)機(jī)械敏感性陽離子通道Piezo1介導(dǎo)了頂端細(xì)胞局部鈣活動的產(chǎn)生和相應(yīng)分支的生長命運(yùn); 敲除 piezo1可導(dǎo)致斑馬魚大腦血管頂端細(xì)胞分支上鈣活動的減少、頂端細(xì)胞路徑選擇缺陷和大腦三維血管網(wǎng)絡(luò)發(fā)育異常。最后，研究人員發(fā)現(xiàn)鈣激活的蛋白水解酶 Calpain和一氧化氮合成酶(NOS)信號通路分別介導(dǎo)了Piezo1-鈣離子活動誘發(fā)的頂端細(xì)胞分支的收縮或伸長的命運(yùn)。該工作首次闡明了大腦三維血管發(fā)育過程中機(jī)械敏感通道Piezo1及其下游的鈣離子活動對內(nèi)皮頂端細(xì)胞的路徑選擇的重要作用。
杜久林實(shí)驗(yàn)室前期工作發(fā)現(xiàn)（PLoS Biology，2012，10: e1001375），發(fā)育過程中，大腦血管三維網(wǎng)絡(luò)形成后，局部腦血管中血流的降低和變異引起血管內(nèi)皮細(xì)胞的遷移，導(dǎo)致所在血管消失，從而簡化在幾何尺度上不斷增長的腦血管三維網(wǎng)絡(luò)，提高腦血流效率。這兩個系列工作，從血管生長和修剪這兩個“陰-陽”側(cè)面，系統(tǒng)揭示了大腦血管三維網(wǎng)絡(luò)的形成機(jī)制。 血管發(fā)育主要是通過血管新生的方式，持續(xù)地從已存在的血管上生長出新的血管分支，從而形成一個復(fù)雜但有序的三維血管網(wǎng)絡(luò)。血管內(nèi)皮頂端細(xì)胞位于血管生長錐的前端，不斷地從其尖端處伸出多個動態(tài)變化的亞細(xì)胞分支及濃密的絲狀偽足，探索周圍的組織微環(huán)境，并引領(lǐng)血管生長錐向其靶標(biāo)血管生長，該過程即為血管內(nèi)皮頂端細(xì)胞的路徑選擇。因此，頂端細(xì)胞的路徑選擇至關(guān)重要，它決定了血管生長的路徑，是決定各器官組織中（包括大腦）三維血管網(wǎng)絡(luò)模式形成的關(guān)鍵。然而，目前我們對頂端細(xì)胞路徑選擇的機(jī)制仍知之甚少。
這項(xiàng)工作是在杜久林研究員指導(dǎo)下，主要由博士研究生劉亭亭完成，杜旭飛博士、張白冰博士、訾化星、嚴(yán)勇、尹江安博士、侯晗博士、顧珊燁博士、陳奇博士也做出了重要的貢獻(xiàn)。該工作得到中科院和上海市的資助。
圖注：（左邊）幼年斑馬魚大腦三維血管網(wǎng)絡(luò)的共聚焦顯微成像圖片：紅色顯示腦血管網(wǎng)絡(luò)。箭頭指示內(nèi)皮頂端細(xì)胞。（右邊）內(nèi)皮頂端細(xì)胞的路徑選擇機(jī)制模式圖：機(jī)械敏感鈣離子通道Piezo1介導(dǎo)的高頻和低頻的亞細(xì)胞鈣離子活性分別通過蛋白酶Calpain或一氧化氮合酶 (nitric oxide synthase, NOS) 控制內(nèi)皮頂端細(xì)胞分支的收縮或伸長，從而決定內(nèi)皮頂端細(xì)胞的路徑選擇以及三維腦血管網(wǎng)絡(luò)的模式。
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