研究發現突觸穩態調控的結構基礎

　　突觸后谷氨酸受體減少會產生逆向信號誘導突觸前神經遞質釋放的增加以維持突觸傳遞功能，這個調控過程稱為突觸穩態。突觸后受體如何跨突觸逆向影響突觸前結構和功能是神經生物學研究的核心科學問題。突觸結構和功能的紊亂與精神分裂癥、自閉癥及智力發育遲緩等多種神經精神疾病密切相關，解析突觸后谷氨酸受體如何調控突觸前結構和功能的變化可以為相關疾病的治療提供新思路。目前關于突觸穩態調控的結構基礎了解的很少。中國科學院遺傳與發育生物學研究所張永清研究組與生物影像平臺中心的降雨強研究組密切合作，以果蠅神經肌肉突觸為模式體系，通過超分辨共聚焦顯微成像和電子顯微成像技術解析了突觸后受體減少誘導突觸前穩態過程的結構變化。

　　在野生型果蠅中，神經肌肉突觸活性區含有一個電子致密結構稱為T-bar。細胞骨架蛋白Brp是哺乳動物CAST/ERC家族成員ELKS蛋白在果蠅中的同源蛋白。它是T-bar結構的關鍵組成成分，Brp缺失會導致活性區組裝缺陷。超分辨顯微成像顯示單個活性區含有單個Brp環。而該團隊研究發現，在果蠅神經肌肉突觸中，當谷氨酸受體GluRIIC減少時突觸前活性區蛋白Brp染色斑塊增大，超分辨結果顯示增大的Brp斑塊為Brp多環結構，電鏡結果顯示單個活性區含有多個T-bar。電生理檢測顯示，在GluRIIC突變體神經肌肉突觸中，微興奮性電位強度降低但突觸前量子釋放量增加，表明GluRIIC突變體中發生了突觸前穩態調控。同時，在其它兩種誘導突觸前穩態的經典范式——GluRIIA突變體和PhTx藥物抑制谷氨酸受體活性神經肌肉突觸中同樣檢測到Brp多環結構。這一結果提示在活性區形成Brp多環結構可能是突觸前穩態調控的結構基礎。過去十多年的研究表明細胞粘附分子對于突觸可塑性和突觸結構特異性組裝發揮重要作用。Neuroligin (Nlg)是一個重要的突觸后細胞粘附分子，與突觸前Neurexin (Nrx)分子相互連接，調控突觸結構正確組裝。果蠅中含有4個neuroligin編碼基因，其中對于nlg1研究較多。該團隊通過遺傳學操作，結合超高分辨率顯微成像技術和電生理技術研究證明，Nlg1參與調控GluRIIC敲減時Brp多環結構的形成。

　　該研究揭示了突觸后受體減少導致突觸前穩態過程中的結構變化，并表明細胞粘附分子Nlg1參與調控該結構變化的形成，這一結果加深了人們對突觸前穩態調控機制的理解。該研究于3月8日在線發表在Journal of Neuroscience 雜志(DOI:10.1523/JNEUROSCI.2002-19.2020)。張永清研究組博士生洪慧琳為論文的第一作者。該研究得到國家自然科學基金和科技部項目的支持。

上圖：GluRIICRNAi和GluRIIChypo突變體突觸前Brp聚集形成Brp多環結構；下圖：突觸后谷氨酸受體減少誘導突觸前穩態形成多T-bar結構的機制模式圖