6 月 21 日，《神經(jīng)元》期刊在線發(fā)表了中國上海生命科學(xué)研究院神經(jīng)科學(xué)研究所、中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)創(chuàng)新中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員于翔研究組題為《突觸前位點(diǎn)的 Cadherin/Catenin/p140Cap 復(fù)合物在穩(wěn)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(fā)現(xiàn)在小鼠大腦皮層突觸形成過程中，在突觸前和突觸后位點(diǎn)對稱表達(dá)的 cadherin/catenin 細(xì)胞粘附復(fù)合物發(fā)揮了不對稱的功能——突觸前位點(diǎn)的β-catenin 在這一過程中發(fā)揮了更為關(guān)鍵的主導(dǎo)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(dǎo)了突觸后錐體神經(jīng)元樹突棘的穩(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)。對于細(xì)胞粘附分子而言，一個(gè)重要的科學(xué)問題是：突觸前和突觸后表達(dá)的粘附分子是共同分擔(dān)責(zé)任，還是有一方在該過程中扮演了起始者或主導(dǎo)者的作用。

該研究通過運(yùn)用 Nex-Cre 對小鼠大腦皮層所有興奮性神經(jīng)元中的β-catenin 進(jìn)行條件性敲除或過表達(dá)，并對初級感覺皮層第 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 過表達(dá)顯著增加了錐體神經(jīng)元的樹突棘數(shù)目。進(jìn)一步，活細(xì)胞成像實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)β-catenin 對于樹突棘的穩(wěn)定而非其形成是必需的。通過運(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β-catenin 進(jìn)行過表達(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突棘的成熟，而突觸后神經(jīng)元的操作并沒有這種效果。

這一意外的結(jié)果驅(qū)使研究者繼續(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研究發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。通過免疫共沉淀，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)對興奮性突觸傳導(dǎo)與樹突棘的穩(wěn)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(wěn)定是重要的。

上述結(jié)果揭示了對稱性 cadherin/catenin 復(fù)合物在神經(jīng)環(huán)路形成中的非對稱功能。這些結(jié)果是否提示在大腦皮層的形成過程中突觸前的神經(jīng)元起更加主導(dǎo)的作用還需要進(jìn)一步的研究。其他腦區(qū)是否存在不同的規(guī)則也是一個(gè)待探討的問題。突觸與樹突棘的形成與成熟對神經(jīng)環(huán)路功能性連接的正確形成至關(guān)重要。進(jìn)一步解析介導(dǎo)這些過程的分子機(jī)制不僅是神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)問題，還對解析孤獨(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。

該研究由博士研究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。該研究得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng) (XDB02010000)、 973 項(xiàng)目 (2016YFA0501000)、國家自然科學(xué)基金 (31530030) 和上海市學(xué)科帶頭人計(jì)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(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)突觸后樹突棘穩(wěn)定的工作模型。
 

圖 2：繪圖（李葉菲設(shè)計(jì)）通過水彩畫的方式，用旗袍的盤扣比喻 cadherin/catenin 復(fù)合物，展示了 cadherin/catenin 復(fù)合物通過跨突觸的方式調(diào)節(jié)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(diǎn)的 cadherin/catenin 復(fù)合物以一種主動(dòng)的作用通過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