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对称性表达的细胞粘附分子在兴奋性突触与树突棘稳定中的不对称功能
发布日期:2017-06-22    浏览次数:304

6月21日,《神经元》期刊在线发表了中科院神经科学研究所、中科院脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室于翔研究组题为《突触前位点的Cadherin/Catenin/p140Cap复合物在稳定皮层树突棘和功能性突触中的重要功能》的研究性论文。该研究发现在小鼠大脑皮层突触形成过程中,在突触前和突触后位点对称表达的cadherin/catenin细胞粘附复合物发挥了不对称的功能——突触前位点的β-catenin在这一过程中发挥了更为关键的主导性作用,并通过N-cadherin的跨突触功能以顺向信号通路的方式介导了突触后锥体神经元树突棘的稳定。Cadherin/catenin复合物的这一作用依赖于p140Cap——一种新的β-catenin结合蛋白。

突触是大脑内环路连接的基本结构基础。突触的形成受到包括细胞粘附分子、脚手架分子、分泌性分子和转录因子等众多分子的协同调节。对于细胞粘附分子而言,一个重要的科学问题是:突触前和突触后表达的粘附分子是共同分担责任,还是有一方在该过程中扮演了起始者或主导者的作用。

通过运用Nex-Cre对小鼠大脑皮层所有兴奋性神经元中的β-catenin进行条件性敲除或过表达,并对初级感觉皮层第2/3层(L2/3)锥体神经元进行电生理记录,发现β-catenin双向调节了微小型兴奋性突触后电流(miniature excitatory postsynaptic current, mEPSC)的频率,并且β-catenin过表达显著增加了锥体神经元的树突棘数目。进一步,活细胞成像实验发现β-catenin对于树突棘的稳定而非其形成是必需的。通过运用转基因小鼠和腺相关病毒(AAV)在体注射,分别在突触后神经元(CaMKCreER和稀疏的AAV-GFP-β-cat*注射)和突触前神经元(Scnn1a-Tg3-Cre和浓密的AAV-GFP-β-cat*注射)对β-catenin进行过表达,发现只有突触前神经元的操作才能显著性促进L2/3锥体神经元的兴奋性突触传递和树突棘的成熟,而突触后神经元的操作并没有这种效果。

这一意外的结果驱使研究者继续探究突触前位点的变化。他们发现β-catenin显著性增加了突触前蛋白synaptophysin puncta的数目和密度;并且,电生理结果也表明β-catenin对谷氨酸能囊泡的释放概率有双向调节作用。已知的β-catenin相关作用蛋白不能解释该研究发现的现象。通过免疫共沉淀,结合蛋白质谱分析,发现了p140Cap——一个胞吐相关分子,与β-catenin有直接相互作用,并且可以与β-catenin和N-cadherin形成复合物。进一步实验发现p140Cap在突触前的表达对兴奋性突触传导与树突棘的稳定是必要的,说明突触前cadherin/catenin/p140Cap对兴奋性突触与树突棘的稳定是重要的。

上述结果揭示了对称性cadherin/catenin复合物在神经环路形成中的非对称功能。这些结果是否提示在大脑皮层的形成过程中突触前的神经元起更加主导的作用还需要进一步的研究。其他脑区是否存在不同的规则也是一个待探讨的问题。突触与树突棘的形成与成熟对神经环路中功能性连接的正确形成至关重要。进一步解析介导这些过程的分子机制不仅是神经科学的基础问题,还对解析孤独症谱系障碍等存在突触连接异常的神经发育性疾病的发病机理有重要的借鉴作用。

该研究由博士研究生李敏寅在于翔研究员的指导下完成,得到了实验室苗婉莹、吴秋子、贺顺姬等工作人员的大力支持。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项 (XDB02010000)、科技部973项目 (2016YFA0501000)、国家自然科学基金 (31530030) 和上海市优秀学科带头人计划 (16XD1404800) 的资助。

图1:(A) 本研究使用的分子操作手段,包括在所有兴奋性神经元中表达的Nex-Cre,在突触后神经元表达的CaMKCreER,和在突触前神经元表达的Scnn1a-Tg3-Cre和浓密的AAV-GFP-β-cat*注射。(B) 突触前神经元,而非突触后神经元过表达β-catenin,显著性增加椎体神经元的mEPSC频率。(C) 突触前cadherin/catenin复合物促进突触后树突棘稳定的工作模型。

图2:绘图(李叶菲设计)通过水彩画的方式,用旗袍的盘扣比喻cadherin/catenin复合物,展示了cadherin/catenin复合物通过跨突触的方式调节突触组装的过程。盘扣右边(突触后)的纽扣必须被左边(突触前)伸出的盘绳扣住才能使纽扣寄上,盘扣的不对称性反映了突触成熟过程中突触前位点的cadherin/catenin复合物以一种主动的作用通过跨突触的方式锚定突触后位点的cadherin/catenin复合物,从而介导突触的成熟。