Cell发表神经所关于介导树突棘修剪分子机制的新成果

<正>2015年8月7日,Cell在线发表了中科院上海生命科学研究院神经科学研究所于翔研究组新成果。该研究发现相邻树突棘之间对cadherin/catenin复合物的竞争决定了它们在树突棘修剪过程中的不同命运——胜者更加成熟与强壮、败者则被修剪——从而揭示了发育过程中神经环路精确化的新机制和重要规律。     

赢家通吃:神经环路修剪的竞争机制

人类的大脑约由一千亿个神经元组成,它们通过位于树突棘结构上的突触相互连接,形成庞大的神经网络,主宰着人们的感觉、运动、记忆与情感。这个神经网络并不是一成不变的。发育早期,神经元之间的连接迅速建立;而在个体经由青少年期向成年期转变的过程中,多余的连接经由树突棘的修剪得到清除,神经环路得到优化,从而达到最佳的信息传递与储存效果。树突棘修剪对于大脑的正常功能至关重要,在多种发育性神经系统疾病中均发现了树突棘修剪的异常,但介导该过程的分子机制是基本未知的。中国科学院神经科学研究所于翔研究组的工作发现,发育过程中小鼠感觉皮层的树突棘修剪和被保留树突棘的成熟同时受到感觉经验的双向调控,并协同变化。通过在单个树突棘的水平精细操控细胞黏附水平和神经电活动水平,于翔实验室进一步发现这种协同的成熟/修剪变化是由相邻树突棘间对一类细胞黏附分子——cadherin/catenin复合物——的竞争所介导:竞争到更多此类复合物的树突棘变得稳定、成熟,而失败的一方则被修剪。这一"赢家通吃"的竞争模型为发育过程中神经网络的优化提供了分子机制的解释,拓展了人们对于大脑可塑性的理解,并可能代表了生物系统发育的普遍策略。鉴于树突棘修剪的异常与孤独症、精神分裂症等发育性神经系统疾病密切相关,阐明其分子机制对解析上述疾病的致病机理有重要的理论与临床意义。     

树突棘的动态变化与调控机制

树突棘是兴奋性突触的主要突触后结构基础,其数量与形态受神经电活动调控,并在整个生命过程中呈现复杂且有序的动态变化。树突棘的动态变化在神经环路的形成和精确化修剪中扮演重要的角色,该过程的异常可导致孤独症谱系障碍、精神分裂症等神经系统疾病。主要综述了近年来关于树突棘形态与数量动态变化的研究工作,包括发育早期的树突棘发生和青春期的树突棘修剪。在此基础上,还简要阐述了介导树突棘动态变化的信号分子,讨论了其与神经系统疾病的关联,并提出了该领域尚未解决的一些问题。     

受体酪氨酸激酶依赖的信号转导在突触可塑性中的研究

突触可塑性对于脑发育过程中的神经环路重构以及学习记忆等脑的高级功能是非常重要的。许多受体酪氨酸激酶家族成员,包括TrkB、ErbB和Eph在神经连接的建立和重构过程中起到核心作用。比如,突触后EphB依赖的信号会导致树突棘的产生和神经递质受体的聚集,而ephrinA引起的EphA4激活可以导致树突棘的回缩。但是,目前对EphA4依赖的树突棘重组和对神经递质受体的调节背后的机制还知之甚少。本文将集中探讨EphA4及其下游的信号通路在神经肌肉接头和中枢神经的突触中,对神经递质受体的调节功能。     

细胞间黏附分子5在树突棘发育和突触可塑性中的研究进展

诸多神经精神性疾病的发生均伴有树突棘发育异常。免疫球蛋白超家族成员细胞间黏附分子5(intercellular adhesion molecule 5,ICAM5)是一个通过抑制树突棘成熟,将其维持在丝状形态的跨膜蛋白,它只表达于端脑兴奋性神经元,可能与树突棘发育、突触可塑性乃至学习记忆密切相关。现综述了ICAM5的发现和特征、分子结构、基因结构、在树突棘发育过程中的作用,以及与脆性X综合征等疾病的关系,试图为阐明发育阶段脑神经元异常树突棘形成的机制提供线索。     

NMDA受体参与皮层内突触结构和功能的调节

在中枢神经系统内神经细胞的树突棘是突触信息传递的重要部位,树突棘的体积和密度影响神经环路的功能。2007年美国加利福尼亚大学的SilaK．Ultanir等人在皮层NRl亚基（是NMDA受体的必要组分）基因敲除的小鼠上发现NMDA受体对树突棘的发育有重要影响。急性分离出生后三周内小鼠的脑片,用电压钳全细胞记录的方法,发现在皮层2／3层的锥体细胞中,AMPA受体介导的微小兴奋性突触后电流（mEP-SC）的幅度和频率均明显增大。     

与帕金森病相关的LRRK2-PKA-Cofilin信号通路

<正>"二型富亮氨酸重复激酶"(leucine-rich repeat kinase 2,LRRK2)由帕金森基因家族PARK8基因编码,富含于脑纹状体神经元。最近,NIH研究人员发现了LRRK2参与帕金森症的分子机制。敲除LRRK2分子会导致"纹状体投射神经元"(striatal projection neurons,SPNs)蛋白激酶A(PKA)活性降低、细胞骨架蛋白actin的调节子"Cofilin"过磷酸化、"树突棘"密度降低、突触发育迟滞,呈现帕金森症病理学特征。Parisiadou等人发现:敲除Lrrk2基因会导致SPNs树突棘数量剧减、丝状幼稚树突棘显著多于蘑菇状成熟树突棘、PSD95     

Eph/ephrin对树突棘的调控与中枢神经系统疾病

树突棘是神经元树突上的功能性突起结构,通常作为突触后成份与投射来的轴突共同构成完整的突触连接。树突棘的形态与结构具有明显的可塑性,其变化通常会引起突触功能的改变。Eph受体酪氨酸激酶家族分子与其配体ephrin都是重要的神经导向因子,同时对树突棘结构也有直接的调控作用。Eph受体的活化可以促进树突棘的发生并影响树突棘的形态及内部结构;而Eph受体的异常也往往会损害正常的突触功能,甚至导致许多与树突棘结构异常相关的神经系统病变的发生。     

大脑皮层内活动依赖的神经环路结构可塑性研究进展

哺乳动物大脑皮层内的神经环路在神经发育、学习记忆、神经和精神疾病过程中表现出令人惊异的结构和功能可塑性。随着新的成像技术及分子生物学方法的应用,在细胞和突触水平上观察活体皮层内神经环路的动态结构变化成为可能,因此近十年来有关活动依赖的神经环路结构可塑性方面的研究进展迅速。该文综述了该方面的部分实验结果,重点阐述个体生长发育、丰富环境、感觉剥夺、病理状态以及学习和记忆等过程和条件下树突的结构可塑性特点,尤其是树突棘的形态和数量变化特征;并简单介绍轴突的结构可塑性,以及结构可塑性相关的分子和细胞机制,最后提出未来该领域内亟待解决的问题。     

活性依赖的突触抑制和突触稳态的分子机制

常规RNA干涉或基因敲除的功能缺失手段仅仅只是简单地移除某个基因或蛋白,而这个过程常常会掩盖磷酸化对某个特定蛋白的调节。在树突发育和突触功能活性依赖的调节过程中,突触后致密蛋白磷酸化的机制仍然是未知的领域。突触后Rap GTP酶激活蛋白SPAR与PSD95结合,可以促进树突棘的生长并加强突触。Plk2（polo-like kinase2,也称为Snk）是一种受突触活性诱导表达的蛋白激酶,它可以磷酸化SPAR,磷酸化的SPAR通过泛素化．蛋白酶体途径降解,从而导致树突棘和突触的减少。Plk2的诱导表达和随后SPAR的降解是长时间神经活性增强过程中突触强度的稳态抑制（突触剥落）所必需的。有趣的是,SPAR需要被另外一种激酶cDK5磷酸化后才能被Plk2所降解。这种机制通过CDK5对一部分突触进行标记,为由Plk2-SPAR通路抑制或去除这些突触提供了可能的途径,但其分子机制在神经退行性疾病突触丢失中的作用仍需进一步探讨。     

Science发文揭示睡眠如何强化突触并有益记忆

<正>2014年6月6日,来自纽约大学医学院、北京大学深圳研究生院的甘文标教授在Science发表其研究成果。该研究组采用可视化技术,记录下来了活体小鼠运动皮层中的树突棘变化,证明了睡眠可导致新突触的生长,从而提出了睡眠可巩固记忆,而这是通过促进脑中新的突触的生长来实现的。研究人员首先教小鼠学习一种新的运动技能,这会引起它们脑中形成新的树突棘,这表明哺乳类动物脑中的突触变化是学习的基础。为了更深入了解睡眠是否会影响突触变化,研究人员又记录下来     

Drebrin与认知功能障碍

树突棘和突触的病理改变在认知功能障碍发病机制中具有十分重要的作用,研究表明大脑发育调节蛋白（developmentregulationbrainprotein,Drebrin）能够调节树突棘和突触的形态和重塑。Drebrin的减少可能通过树突棘内细胞骨架变化,使树突棘的形态结构受到影响,导致突触功能和结构的变化。但目前阿尔茨海默病（Alzheimer’Sdisease,AD）脑内突触病理变化的具体机制及Drebrin和突触之间的关系仍不明确。探讨Drebrin与认知功能的关系及其机制,对临床上早期干预认知功能障碍、寻找AD的有效诊断治疗措施具有重要意义。     

谷氨酸受体调控树突棘形态可塑性的研究进展

树突棘是神经元之间产生直接联系的部位,其形态可塑性是记忆的结构基础。谷氨酸信息传递是中枢神经信息传递的主要方式,能产生突触传递效率的可塑性,由此引起树突棘形态的可塑性变化。本文从谷氨酸受体途径的角度对树突棘形态可塑性的调控机制做一综述。谷氨酸受体主要通过其下游信号分子调节棘内肌动蛋白动力学蛋白,参与树突棘的形态发生和稳定。该作用在局部受到不同的蛋白、信号分子、激素、mi RNAs的调节,从而参与生理及病理过程。最后,提出展望,研究脑区特异的局部微环境变化对记忆相关疾病病因及治疗探讨有参考价值。     

关于mGluR在脆性X综合征发病机制中的研究新进展

脆性X综合征为最常见的遗传性智力低下性疾病之一,是由于FMR1基因异常导致其编码的脆性X智力低下蛋白减少或缺失所致.研究发现脆性X综合征尸解病人和FMR1基因敲除小鼠(KO鼠)神经元树突棘发育不成熟,模型小鼠海马区代谢性谷氨酸受体所触发的长时程抑制(LTD)延长,不成熟的树突棘导致突触功能障碍被认为是脑功能异常的基础.最近的研究表明,应用代谢性谷氨酸受体拮抗剂能改善由FMRP缺失所导致的突触和行为缺陷,表明mGluR功能过度激活可能参与了脆性X综合征的发病过程,但具体机制不明.FMRP是一种mRNA结合蛋白,可作为翻译抑制因子负性调节突触后膜mRNA的翻译和表达.因此推测FMRP缺乏和减少可能导致mGluR激发的mRNA翻译增多,参与神经系统发育的蛋白过度表达,而影响树突棘的发育,但具体机制仍不清楚.本文对mGluR和脆性X综合征的研究历史和最新进展进行了讨论.     

神经元的突触可塑性与学习和记忆

大量研究表明,神经元的突触可塑性包括功能可塑性和结构可塑性,与学习和记忆密切相关.最近,在经过训练的动物海马区,记录到了学习诱导的长时程增强(long term potentiation,LTP),如果用激酶抑制剂阻断晚期LTP,就会使大鼠丧失训练形成的记忆.这些结果指出,LTP可能是形成记忆的分子基础.因此,进一步研究哺乳动物脑内突触可塑性的分子机制,对揭示学习和记忆的神经基础有重要意义.此外,在精神迟滞性疾病和神经退行性疾病患者脑内记录到异常的LTP,并发现神经元的树突棘数量减少,形态上产生畸变或萎缩,同时发现,产生突变的基因大多编码调节突触可塑性的信号通路蛋白,故突触可塑性研究也将促进精神和神经疾病的预防和治疗.综述了突触可塑性研究的最新进展,并展望了其发展前景.     

药物滥用与神经元结构可塑性改变的关系

药物成瘾所导致的行为和生理方面的长时程改变可能与相关脑区突触连接的重构有关。安非他命、可卡因、吗啡和尼古丁滥用时,精神依赖和奖赏效应相关脑区神经元的树突和树突棘的结构发生改变,这反映药物滥用致相关神经回路突触连接方式的改变。这种改变足长时程的、脑区特异性的,是多种因素调节的结果。     

脑成像与脑网络

揭示脑的奥秘是人类面临的最大挑战之一。神经元是构成神经系统结构与功能的基本单位。神经元与神经元之间通过突触实现信息交互,并构成神经环路或神经网络。神经环路有局部的,也有跨脑区或长程的,甚至全脑尺度的。神经环路则是脑实现神经信息处理的基本单元。若干神经环路构成脑网络。脑网络研究已经成为脑功能与脑疾病研究领域的热点。     

树突棘素在大鼠小脑中的表达和年龄变化

目的 观察树突棘素在大鼠小脑中的表达及年龄相关性变化。方法 应用免疫组织化学和Western blot方法,显示树突棘素在不同年龄组的大鼠小脑中的表达,并用图像分析系统对阳性免疫反应结果进行定量分析。结果 在中年组大鼠小脑中,树突棘素呈高表达,而在老年组和青年组大鼠小脑组织中表达水平相对较低。在小脑树突棘素的表达以分子层为主,其次表达在颗粒层细胞周围,少量树突棘素在大鼠小脑的蒲肯野细胞也有表达。结论 树突棘素的表达随着年龄的改变而变化;这种变化可能与不同年龄段大鼠小脑组织中突触的可塑性变化有关。     

C-cadherin控制非洲爪蛙早期胚胎中微丝骨架的合成

上皮细胞间形成的Adherensjunctions复合物通过E—cadherin胞质区段,经由catenin家族蛋白介导,与细胞中微丝骨架系统（micrOfilament）相互作用,参与控制细胞极性、迁移,发育中的形态建成运动以及组织稳态维持等重要生命现象。多方面实验证据表明,cadherin复合物与微丝骨架系统的相互作用是高度动态的;作者前期的工作发现,在非洲爪蛙早期胚胎中,经典cadherin（C-cadherin）在细胞膜上的表达量决定细胞中微丝骨架合成总量。该研究进一步提供实验证据,表明随着囊胚期细胞增殖的进行,囊胚中期以后,细胞表面c—cadherin逐步富集,相应地细胞中微丝骨架的合成量也增加。我们还通过细胞解聚,C-cadherin敲降和过量表达,以及c-cadherin与F-actin共定位分析等实验验证在囊胚期外胚层细胞中,细胞膜C—cadherin表达量与细胞微丝骨架的合成量高度正相关。     

Ca2+和突触细胞融合

神经突触传递对于神经系统功能的实现具有十分重要的意义,而神经突触传递涉及到突触囊泡膜和突触前膜的融合,3种膜蛋白SNARE特异性识别并形成复合物,从而介导了神经递质的释放。Ca^2 通过其感受器突触结合蛋白而调节了突触细胞的融合过程,也最终影响了神经元的胞吐作用。