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突觸前位點(diǎn)復(fù)合物在穩(wěn)定皮層樹(shù)突棘和功能性突觸中的功能

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突觸前位點(diǎn)復(fù)合物在穩(wěn)定皮層樹(shù)突棘和功能性突觸中的功能

摘要: 　　6月21日，神經(jīng)元期刊在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)學(xué)習(xí)院神經(jīng)科學(xué)學(xué)習(xí)所、中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、神經(jīng)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)員于翔學(xué)習(xí)組題為突觸前位點(diǎn)的Cadherin/Catenin/p140Cap復(fù)合物在 ...

　　6月21日，神經(jīng)元期刊在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)學(xué)習(xí)院神經(jīng)科學(xué)學(xué)習(xí)所、中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、神經(jīng)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)員于翔學(xué)習(xí)組題為突觸前位點(diǎn)的Cadherin/Catenin/p140Cap復(fù)合物在穩(wěn)定皮層樹(shù)突棘和功能性突觸中的重要功能的論文。該學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)在小鼠大腦皮層突觸形成過(guò)程中，在突觸前和突觸后位點(diǎn)對(duì)稱表達(dá)的cadherin/catenin細(xì)胞粘附復(fù)合物發(fā)揮了不對(duì)稱的功能——突觸前位點(diǎn)的β-catenin在這一過(guò)程中發(fā)揮了更為關(guān)鍵的主導(dǎo)性作用，并通過(guò)N-cadherin的跨突觸功能以順向信號(hào)通路的方式介導(dǎo)了突觸后錐體神經(jīng)元樹(shù)突棘的穩(wěn)定。Cadherin/catenin復(fù)合物的這一作用依賴于p140Cap——一種新的β-catenin結(jié)合蛋白。
　　突觸是大腦內(nèi)環(huán)路連接的基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。突觸的形成受到包括細(xì)胞粘附分子、腳手架分子、分泌性分子和轉(zhuǎn)錄因子等眾多分子的協(xié)同調(diào)節(jié)。對(duì)于細(xì)胞粘附分子而言，一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題是：突觸前和突觸后表達(dá)的粘附分子是共同分擔(dān)責(zé)任，還是有一方在該過(guò)程中扮演了起始者或主導(dǎo)者的作用。
　　該學(xué)習(xí)通過(guò)運(yùn)用Nex-Cre對(duì)小鼠大腦皮層所有興奮性神經(jīng)元中的β-catenin進(jìn)行條件性敲除或過(guò)表達(dá)，并對(duì)初級(jí)感覺(jué)皮層第2/3層（L2/3）錐體神經(jīng)元進(jìn)行電生理記錄，發(fā)現(xiàn)β-catenin雙向調(diào)節(jié)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(guò)表達(dá)顯著增加了錐體神經(jīng)元的樹(shù)突棘數(shù)目。進(jìn)一步，活細(xì)胞成像實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)β-catenin對(duì)于樹(shù)突棘的穩(wěn)定而非其形成是必需的。通過(guò)運(yùn)用轉(zhuǎn)基因小鼠和腺相關(guān)病毒（AAV）在體注射，分別在突觸后神經(jīng)元（CaMKCreER和稀疏的AAV-GFP-β-cat*注射）和突觸前神經(jīng)元（Scnn1a-Tg3-Cre和濃密的AAV-GFP-β-cat*注射）對(duì)β-catenin進(jìn)行過(guò)表達(dá)，發(fā)現(xiàn)只有突觸前神經(jīng)元的操作才能顯著性促進(jìn)L2/3錐體神經(jīng)元的興奮性突觸傳遞和樹(shù)突棘的成熟，而突觸后神經(jīng)元的操作并沒(méi)有這種效果。
　　這一意外的結(jié)果驅(qū)使學(xué)習(xí)者繼續(xù)探究突觸前位點(diǎn)的變化。他們發(fā)現(xiàn)β-catenin顯著性增加了突觸前蛋白synaptophysin puncta的數(shù)目和密度；并且，電生理結(jié)果也表明β-catenin對(duì)谷氨酸能囊泡的釋放概率有雙向調(diào)節(jié)作用。已知的β-catenin相關(guān)作用蛋白不能解釋該學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。通過(guò)免疫共沉淀，結(jié)合蛋白質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)了p140Cap——一個(gè)胞吐相關(guān)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(fù)合物。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)p140Cap在突觸前的表達(dá)對(duì)興奮性突觸傳導(dǎo)與樹(shù)突棘的穩(wěn)定是必要的，說(shuō)明突觸前cadherin/catenin/p140Cap對(duì)興奮性突觸與樹(shù)突棘的穩(wěn)定是重要的。
　　上述結(jié)果揭示了對(duì)稱性cadherin/catenin復(fù)合物在神經(jīng)環(huán)路形成中的非對(duì)稱功能。這些結(jié)果是否提示在大腦皮層的形成過(guò)程中突觸前的神經(jīng)元起更加主導(dǎo)的作用還需要進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。其他腦區(qū)是否存在不同的規(guī)則也是一個(gè)待探討的問(wèn)題。突觸與樹(shù)突棘的形成與成熟對(duì)神經(jīng)環(huán)路中功能性連接的正確形成至關(guān)重要。進(jìn)一步解析介導(dǎo)這些過(guò)程的分子機(jī)制不僅是神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)問(wèn)題，還對(duì)解析孤獨(dú)癥譜系障礙等存在突觸連接異常的神經(jīng)發(fā)育性疾病的發(fā)病機(jī)理有重要的借鑒作用。
　　該學(xué)習(xí)由博士學(xué)習(xí)生李敏寅在于翔的指導(dǎo)下完成，得到了實(shí)驗(yàn)室苗婉瑩、吳秋子、賀順姬等工作人員的大力支持。該學(xué)習(xí)得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng) (XDB02010000)、科技部973項(xiàng)目 (2016YFA0501000)、國(guó)家自然科學(xué)基金 (31530030) 和上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人計(jì)劃 (16XD1404800) 的資助。



　　圖1：(A) 本學(xué)習(xí)使用的分子操作手段，包括在所有興奮性神經(jīng)元中表達(dá)的Nex-Cre，在突觸后神經(jīng)元表達(dá)的CaMKCreER，和在突觸前神經(jīng)元表達(dá)的Scnn1a-Tg3-Cre和濃密的AAV-GFP-β-cat*注射。(B) 突觸前神經(jīng)元，而非突觸后神經(jīng)元過(guò)表達(dá)β-catenin，顯著性增加椎體神經(jīng)元的mEPSC頻率。(C) 突觸前cadherin/catenin復(fù)合物促進(jìn)突觸后樹(shù)突棘穩(wěn)定的工作模型。



　　圖2：繪圖（李葉菲設(shè)計(jì)）通過(guò)水彩畫(huà)的方式，用旗袍的盤(pán)扣比喻cadherin/catenin復(fù)合物，展示了cadherin/catenin復(fù)合物通過(guò)跨突觸的方式調(diào)節(jié)突觸組裝的過(guò)程。盤(pán)扣右邊（突觸后）的紐扣必須被左邊（突觸前）伸出的盤(pán)繩扣住才能使紐扣寄上，盤(pán)扣的不對(duì)稱性反映了突觸成熟過(guò)程中突觸前位點(diǎn)的cadherin/catenin復(fù)合物以一種主動(dòng)的作用通過(guò)跨突觸的方式錨定突觸后位點(diǎn)的cadherin/catenin復(fù)合物，從而介導(dǎo)突觸的成熟。

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