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2021-03-15 作者:醫學院 來源:科學技術處

南京大學石雲實驗室在突觸長時程增強機制研究中獲得重要成果

突觸長時程增強(LTP)被認為是學習和記憶的細胞和分子基礎之一(Bliss and Lomo, 1973; Huganir and Nicoll, 2013)。最經典的LTP研究模型是海馬體謝弗側枝向CA1錐體神經元投射的突觸聯接(Shaffer collateral-CA1)。強直刺激謝弗側枝纖維能誘發CA1神經元產生長時間的突觸信號增強,即LTP。主要的分子事件是突觸後膜AMPA型穀氨酸受體表達量的增加和功能的增強,從而介導“增強型”的突觸傳遞。以往有大量研究表明AMPA型穀氨酸受體的亞基GluA1(亦稱GluR1)對LTP的表達至關重要(Diering and Huganir, 2018)。

南京大學石雲實驗室在研究中發展了一種基於CRISPR/Cas9的單神經元基因敲除和替換的方法。發現在CA1神經元敲除內源AMPA受體亞基GluA1、GluA2和GluA3的條件下,表達GluA1可以挽救LTP,而表達ATD(amino-terminal domain)截除的GluA1(GluA1DATD)則不能挽救LTP,説明GluA1的ATD對於LTP起關鍵作用。通過免疫共沉澱和蛋白質譜分析,作者發現GluA1通過ATD和細胞粘附分子neuroplastin-65 (Np65)互作。Np65高表達於海馬CA1神經元,並與GluA1共定位於樹突及樹突棘。使用CRISPR/Cas9敲除Neuroplastin則導致AMPA受體介導的突觸傳遞顯著受損,同時也導致LTP不能維持(圖1)。在敲除Neuroplastin的神經元中,過表達Np65則可以挽救AMPA受體介導的突觸傳遞和LTP,而過表達Neuroplastin的另一種剪接形式Np55則不能挽救LTP。

綜上,該研究揭示了GluA1通過與Np65相互作用並介導突觸傳遞和LTP的維持。該研究的創新發現主要有以下幾點:1.發現LTP的誘導表達和維持是相對獨立的過程,以往的研究往往沒法將兩者區分開來。2. LTP的維持機制一直不清楚,本研究清楚揭示LTP的維持需要GluA1和Np65互作。3.以往研究LTP主要集中在細胞內的信號通路,本研究發現突觸間隙中的粘附分子也起重要作用。論文促進了對學習和記憶的分子機理的認識。

該研究成果在《美國科學院院刊》(PNAS)發表題為《The amino-terminal domain of GluA1 mediates LTP maintenance via interaction with neuroplastin-65》的科研論文,揭示了神經突觸長時程增強(LTP)的重要分子機制。南京大學博士生蔣朝華為該文的第一作者,首都醫科大學副教授魏夢萍為共同第一作者,南京大學石雲和首都醫科大學張晨教授為該文的通訊作者。

石雲教授同時是南京大學分子生物醫藥國家重點實驗室,化學和生物醫藥創新研究院,和腦研究院的PI。該研究工作受到國家自然科學基金和科技部重大專項項目的支持。

圖1:Np65缺失導致突觸後膜AMPA受體下調以及LTP無法維持

參考文獻:

Bliss, T.V., and Lomo, T. (1973). Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path. J Physiol 232, 331-356.

Diering, G.H., and Huganir, R.L. (2018). The AMPA Receptor Code of Synaptic Plasticity. Neuron 100, 314-329.

Huganir, R.L., and Nicoll, R.A. (2013). AMPARs and synaptic plasticity: the last 25 years. Neuron 80, 704-717.