研究揭示對稱性表達細胞粘附分子在興奮性突觸與樹突棘穩定中不對稱功能

6 月 21 日，《神經元》期刊在線發表了中國上海生命科學研究院神經科學研究所、中科院腦科學與智能技術創新中心、神經科學國家重點實驗室研究員于翔研究組題為《突觸前位點的 Cadherin/Catenin/p140Cap 復合物在穩定皮層樹突棘和功能性突觸中的重要功能》的論文。該研究發現在小鼠大腦皮層突觸形成過程中，在突觸前和突觸后位點對稱表達的 cadherin/catenin 細胞粘附復合物發揮了不對稱的功能——突觸前位點的β-catenin 在這一過程中發揮了更為關鍵的主導性作用，并通過 N -cadherin 的跨突觸功能以順向信號通路的方式介導了突觸后錐體神經元樹突棘的穩定。Cadherin/catenin 復合物的這一作用依賴于 p140Cap——一種新的β-catenin 結合蛋白。

突觸是大腦內環路連接的基本結構基礎。突觸的形成受到包括細胞粘附分子、腳手架分子、分泌性分子和轉錄因子等眾多分子的協同調節。對于細胞粘附分子而言，一個重要的科學問題是：突觸前和突觸后表達的粘附分子是共同分擔責任，還是有一方在該過程中扮演了起始者或主導者的作用。

該研究通過運用 Nex-Cre 對小鼠大腦皮層所有興奮性神經元中的β-catenin 進行條件性敲除或過表達，并對初級感覺皮層第 2 / 3 層（L2/3）錐體神經元進行電生理記錄，發現β-catenin 雙向調節了微小型興奮性突觸后電流（miniature excitatory postsynaptic current， mEPSC）的頻率，并且β-catenin 過表達顯著增加了錐體神經元的樹突棘數目。進一步，活細胞成像實驗發現β-catenin 對于樹突棘的穩定而非其形成是必需的。通過運用轉基因小鼠和腺相關病毒（AAV）在體注射，分別在突觸后神經元（CaMKCreER 和稀疏的 AAV-GFP-β-cat* 注射）和突觸前神經元（Scnn1a-Tg3-Cre 和濃密的 AAV-GFP-β-cat* 注射）對β-catenin 進行過表達，發現只有突觸前神經元的操作才能顯著性促進 L2/ 3 錐體神經元的興奮性突觸傳遞和樹突棘的成熟，而突觸后神經元的操作并沒有這種效果。

這一意外的結果驅使研究者繼續探究突觸前位點的變化。他們發現β-catenin 顯著性增加了突觸前蛋白 synaptophysin puncta 的數目和密度；并且，電生理結果也表明β-catenin 對能囊泡的釋放概率有雙向調節作用。已知的β-catenin 相關作用蛋白不能解釋該研究發現的現象。通過免疫共沉淀，結合蛋白質譜分析，發現了 p140Cap——一個胞吐相關分子，與β-catenin 有直接相互作用，并且可以與β-catenin 和 N -cadherin 形成復合物。進一步實驗發現 p140Cap 在突觸前的表達對興奮性突觸傳導與樹突棘的穩定是必要的，說明突觸前 cadherin/catenin/p140Cap 對興奮性突觸與樹突棘的穩定是重要的。

上述結果揭示了對稱性 cadherin/catenin 復合物在神經環路形成中的非對稱功能。這些結果是否提示在大腦皮層的形成過程中突觸前的神經元起更加主導的作用還需要進一步的研究。其他腦區是否存在不同的規則也是一個待探討的問題。突觸與樹突棘的形成與成熟對神經環路功能性連接的正確形成至關重要。進一步解析介導這些過程的分子機制不僅是神經科學的基礎問題，還對解析孤獨癥譜系障礙等存在突觸連接異常的神經發育性疾病的發病機理有重要的借鑒作用。

該研究由博士研究生李敏寅在于翔的指導下完成，得到了實驗室苗婉瑩、吳秋子、賀順姬等工作人員的大力支持。該研究得到中科院戰略性先導科技專項 (XDB02010000)、 973 項目 (2016YFA0501000)、國家自然科學基金 (31530030) 和上海市學科帶頭人計劃 (16XD1404800) 的資助。

 

圖 1：(A) 本研究使用的分子操作手段，包括在所有興奮性神經元中表達的 Nex-Cre，在突觸后神經元表達的 CaMKCreER，和在突觸前神經元表達的 Scnn1a-Tg3-Cre 和濃密的 AAV-GFP-β-cat* 注射。(B) 突觸前神經元，而非突觸后神經元過表達β-catenin，顯著性增加椎體神經元的 mEPSC 頻率。(C) 突觸前 cadherin/catenin 復合物促進突觸后樹突棘穩定的工作模型。
 

圖 2：繪圖（李葉菲設計）通過水彩畫的方式，用旗袍的盤扣比喻 cadherin/catenin 復合物，展示了 cadherin/catenin 復合物通過跨突觸的方式調節突觸組裝的過程。盤扣右邊（突觸后）的紐扣必須被左邊（突觸前）伸出的盤繩扣住才能使紐扣寄上，盤扣的不對稱性反映了突觸成熟過程中突觸前位點的 cadherin/catenin 復合物以一種主動的作用通過跨突觸的方式錨定突觸后位點的 cadherin/catenin 復合物，從而介導突觸的成熟