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张明杰团队发现突触可塑性的调控新机制

日期:2022-07-19  浏览次数:215

来源:iNature


作为对刺激的反应,即时早期基因产物 Arc 可以通过从突触中去除 AMPA 受体 (AMPAR) 来急剧下调突触强度,从而调节突触可塑性。支架蛋白 Arc 如何专门促进 AMPAR 的突触去除尚不清楚。

2022年7月18日,香港科技大学/南方科技大学张明杰团队Cell Research(IF=46)在线发表题为“Arc weakens synapses by dispersing AMPA receptors from postsynaptic density via modulating PSD phase separation”的研究论文,该研究发现 Arc 直接拮抗 PSD-95 与 TARPs 的结合,TARPs 是 AMPAR 的辅助亚基。Arc 以对浓度高度敏感的方式,从通过相分离形成的突触后密度 (PSD) 凝聚物中急剧分散 TARP。在其尾部磷酸化的“P-S-Y”基序中具有 Ser 残基的 TARP 完全难以被 Arc 分散,这表明 Arc 不能从活性突触中的 PSD 中置换 AMPAR。

相反,加强 Arc 和 TARPs 之间的相互作用会增强 Arc 削弱突触的能力。因此,Arc 可以通过调节 PSD 相分离来特异性和有效地调节突触 AMPAR 聚类。该研究进一步表明,PSD 凝聚物形成/分散的活动依赖性双向调节代表了突触可塑性的一般调节机制。

即时早期基因Arc (arg3.1) 是活体动物神经元和培养物中响应刺激的最敏感调节基因之一。Arc 不是转录因子,而是编码一种多域支架蛋白,其表达仅限于大脑和睾丸。在大脑中,Arc 仅在新皮质和海马的 CaMKII 阳性谷氨酸能神经元中表达。受刺激后,Arc 蛋白可通过局部蛋白质合成迅速积聚在突触后突起中,包括突触后密度 (PSDs)。长期 Arc 合成需要转录介导的 Arc mRNA 表达。突触 Arc 蛋白水平受泛素介导的 Arc 蛋白转换和 Arc mRNA 降解的严格调节。

突触中 Arc 的积累导致 AMPA 受体 (AMPAR) 的去除,从而削弱了突触。这种 Arc 介导的突触减弱与突触功能、学习和记忆的多个方面有关,包括长期抑制、突触缩放和记忆存储。小鼠中 Arc 的慢性和急性基因去除都会导致各种认知缺陷,包括空间/背景、情感和社会记忆缺陷。毫不奇怪,Arc 的失调与神经元疾病有关,包括脆性 X 综合征、Angelman 综合征、精神分裂症和阿尔茨海默病等

令人信服的证据支持突触 Arc 蛋白水平与突触 AMPAR 聚类呈负相关。在培养的神经元中,Arc 的过表达或活动诱导的 Arc 水平增加导致表面 AMPAR 水平降低。相反,来自 Arc KO 小鼠的神经元具有异常高的突触 AMPAR。在体内,Arc 可以通过调节树突棘上相邻突触之间 AMPAR 的重新分布来协调局部突触增强和抑制。Arc 在非活动棘中的富集通过其与非活性 CaMKIIβ 的相互作用来促进。从机制上讲,Arc 介导的突触 AMPAR 去除被认为是通过 Arc 增强的受体内吞作用发生的。

Arc 已显示与几种蛋白质结合,包括内亲蛋白(endophilin)、动力蛋白(dynamin)和 AP-2 亚基,所有这些都是内吞机制蛋白。然而,Arc 相关的内吞机制不太可能直接访问由密集 PSD 组件绝缘的突触 AMPAR。众所周知,突触的内吞区位于 PSD 之外,因此需要将包括 AMPAR 在内的突触蛋白的内吞货物移出 PSD 才能被内吞。最近的一项研究表明,Arc GAG 结构域的 N-叶可以弱但直接与几种突触蛋白结合,包括 Stargazin、GluN2A/B 和 GKAP,尽管它们的序列中都包含一个短的“P-X-Y/F”基序,尽管 Arc 与这些蛋白质结合的功能意义尚不清楚。

一系列研究提供的证据表明,PSDs 是通过液-液相分离形成的。包括 PSD-95、SAPAP、Shank 和 Homer 在内的主要 PSD 支架蛋白彼此相互作用,并与 AMPAR 通过特异性和多价相互作用形成复杂的分子组装体。这种 PSD 组件可以自主形成高度复杂的分子网络并将 AMPAR 聚集在脂质膜上。

通过相分离形成的 PSD 组装可以通过与突触活动密切相关的分子事件来分散或增强。例如,PSD 网络复杂性以及 AMPAR 簇大小受主要支架蛋白(如 PSD-95 或 Shank)的丰度双向调节(即,较高水平的支架蛋白促进 PSD 组装,反之亦然)。Homer 1a 也是即时早期基因的产物,其在神经元中的表达水平在睡眠-觉醒周期之间振荡,可以通过拮抗 Homer 家族支架的四聚体异构体来有效调节 PSD 组装形成。PSD 凝聚物由于其由相分离提供的独特组织性质,非常适合于突触中谷氨酸受体聚集的快速、活性依赖性和双向调节。


文章模式图(图源自Cell Research )

研究人员假设 Arc 是一种富含 PSD 的胞质蛋白,是一种理想的分子,可以调节 PSD 凝聚物的形成和 AMPAR 聚集以响应神经元刺激,原因如下。首先,PSD 凝聚物的相分离对 PSD 分子网络中每个组分的浓度高度敏感,并且 Arc 在突触中表现出快速且高度动态的活性依赖性蛋白质水平变化。其次,广泛的研究已经确定突触中的 Arc 蛋白水平与突触活动密切相关。第三,Arc 直接与包括 Stargazin 在内的 AMPAR 辅助亚基 TARP 结合,因此 Arc 可能以浓度依赖性方式调节 PSD 凝聚网络。

该研究证明了来自 TARPs 尾部的延长序列与 Arc GAG 结构域的 N-和 C-叶结合,其亲和力远高于先前确定的“P-S-Y”-基序肽与 Arc 之间的相互作用。Arc 直接拮抗 PSD-95 和 TARPs 之间的相互作用,因为 TARPs 上的 Arc 结合区和 PSD-95 结合区相互重叠。重要的是,Arc 在其生理相关浓度水平可以有效地从 PSD 冷凝物中分散 AMPAR。因此,Arc 可以通过从 PSD 中分散受体以进行随后的内吞去除,从而促进突触 AMPAR 的去除。

参考消息:https://www.nature.com/articles/s41422-022-00697-9