新發(fā)現(xiàn)揭示：神經(jīng)元是如何維持其通信能力的鈣離子通道的？

來源：生物通作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2022-07-23 09:53:00【大中小】

摘要：神經(jīng)元之間傳遞信號需要通過鈣離子帶動包裹了信號分子的小囊泡移動融合到下一神經(jīng)元。鈣離子通道是神經(jīng)細(xì)胞信號交流的關(guān)鍵組分之一，那神經(jīng)細(xì)胞是如何維持和調(diào)節(jié)這個(gè)鈣離子通道的豐度和補(bǔ)給的？“可塑性”發(fā)生時(shí)這些鈣離子通道會發(fā)生什么變化？

神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)作是基于神經(jīng)元之間通過被稱為突觸的連接進(jìn)行信號交流。當(dāng)鈣離子通過離子通道進(jìn)入充滿了攜帶分子信息的小囊泡的“活性區(qū)”時(shí)，細(xì)胞之間得以“交談”。帶電的鈣離子使小囊泡“融合”到突觸前神經(jīng)元的外膜，將用于交流的化學(xué)物質(zhì)釋放到突觸后細(xì)胞中。在一項(xiàng)新的研究中，麻省理工學(xué)院Picower學(xué)習(xí)和記憶研究所的科學(xué)家們揭示了神經(jīng)元是如何建立和維持這一重要基礎(chǔ)設(shè)施的。

“鈣離子通道是鈣流入的主要決定因素，然后觸發(fā)囊泡融合，所以它是突觸前側(cè)將電信號轉(zhuǎn)換為化學(xué)突觸傳輸?shù)囊娴年P(guān)鍵組成部分，”Troy Littleton說，他是這項(xiàng)新研究的高級作者，麻省理工學(xué)院生物、大腦和認(rèn)知科學(xué)系的Menicon神經(jīng)科學(xué)教授。“我們真的不清楚它們是如何在活性區(qū)積聚的。我們的研究揭示了活性區(qū)是如何積累以及調(diào)節(jié)鈣離子通道豐度的線索。”“眾所周知，突觸前鈣離子通道功能的調(diào)節(jié)具有非常重要的臨床效果，了解這些通道如何調(diào)控的基礎(chǔ)非常重要。”

神經(jīng)科學(xué)家一直在尋找這些線索。理解這個(gè)過程可以幫助揭示神經(jīng)元如何改變它們的溝通方式，這種被稱為“可塑性”的能力是學(xué)習(xí)、記憶和其他重要大腦功能的基礎(chǔ)。另一個(gè)原因是，像加巴丁這樣的藥物，可以治療癲癇、焦慮和神經(jīng)疼痛等多種疾病，它結(jié)合了一種與鈣通道密切相關(guān)的名為alpha2delta的蛋白質(zhì)。通過揭示更多關(guān)于alpha2delta的確切功能，該研究更好地解釋了這些治療的影響。

Cac的上限

圖片:科學(xué)家通過不同的操作敲除一種名為alpha2delta的蛋白質(zhì)（右兩列）越多，與未改變的對照組（左列）相比，
在蒼蠅神經(jīng)元突觸活動區(qū)積累的Cac鈣通道（亮度和綠點(diǎn)數(shù)量）就越少。

麻省理工學(xué)院博士后Karen Cunningham是論文第一作者，她利用果蠅運(yùn)動神經(jīng)元的模型系統(tǒng)，首次展示神經(jīng)元活性區(qū)的鈣離子通道是如何分布和維持的。Cunningham提出的第一個(gè)問題是在幼蟲體內(nèi)的發(fā)育中鈣離子通道對活性區(qū)是否必要。但果蠅的鈣離子通道基因(Cac)是如此重要，果蠅生命不能沒有它。因此，Cunningham不能在果蠅中敲除Cac，而是使用了一種技術(shù)，只在一組神經(jīng)元群體中敲除它。通過實(shí)驗(yàn)表明，即使沒有Cac，活性區(qū)也能正常生長和成熟。

使用另一種人工延長果蠅幼蟲階段的技術(shù)，她還觀察到，如果給予額外的時(shí)間，活性區(qū)將繼續(xù)用一種名為BRP的蛋白質(zhì)構(gòu)建其結(jié)構(gòu)，但Cac的積累在正常的6天后停止。Cunningham還發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元中可用Cac供應(yīng)的適度增加或減少并不影響每個(gè)活性區(qū)最終的Cac數(shù)量。更奇怪的是，她發(fā)現(xiàn)雖然Cac的數(shù)量確實(shí)與每個(gè)活性區(qū)的大小成比例，但即使她減少了活性區(qū)中的大量BRP，它只是輕微發(fā)生變化。事實(shí)上，神經(jīng)元似乎對每一個(gè)活性區(qū)的Cac含量設(shè)定了一個(gè)穩(wěn)定的上限。

Cunningham說:“這揭示了神經(jīng)元活性區(qū)的結(jié)構(gòu)蛋白有著非常不同的規(guī)則，比如隨著時(shí)間的推移繼續(xù)積累的BRP，而鈣離子通道則受到嚴(yán)格的調(diào)控，其豐度被限制。”

定期更新

圖2 該團(tuán)隊(duì)的模型顯示了調(diào)節(jié)活躍區(qū)域Cac豐度的因子。活躍區(qū)框架構(gòu)建和通過alpha2delta實(shí)現(xiàn)Cac傳遞增加了Cac豐度，
且周轉(zhuǎn)率保持不變。而Cac的生物合成幾乎沒有增加豐度。

研究結(jié)果表明，除了Cac供應(yīng)或BRP的變化之外，一定還有其他因素對Cac水平進(jìn)行了如此嚴(yán)格的調(diào)節(jié)。Cunningham轉(zhuǎn)向alpha2delta。當(dāng)她通過基因控制這些物質(zhì)的表達(dá)量時(shí)，她發(fā)現(xiàn)alpha2delta的水平直接決定了活性區(qū)積累的Cac量。

在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，Cunningham還能夠證明，alpha2delta維持Cac水平的能力取決于神經(jīng)元的總體Cac供應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)表明，alpha2delta可能在Cac運(yùn)輸過程中發(fā)揮上游功能，向活躍區(qū)域供應(yīng)和再供應(yīng)Cac，而不是通過穩(wěn)定Cac來控制活躍區(qū)域的Cac數(shù)量。

Cunningham使用了兩種不同的技術(shù)來觀察Cac補(bǔ)給的發(fā)生，測量了補(bǔ)給的程度和時(shí)間。在幼蟲發(fā)育幾天后她選擇了一個(gè)時(shí)間來拍攝活性區(qū)的圖像，并測量Cac豐度以確定全景。然后她通過漂白Cac熒光來消除它。24小時(shí)后重新觀察Cac熒光，只突出顯示在24小時(shí)內(nèi)被送到活性區(qū)的新Cac。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天幾乎所有活性區(qū)域都有Cac遞送，但一天的量與幾天前積累的量相比確實(shí)只是一個(gè)零頭。此外，她還發(fā)現(xiàn)較大的活性區(qū)比較小的活性區(qū)累積了更多的Cac。在alpha2delta突變的果蠅中，幾乎沒有新的Cac傳遞。

如果Cac通道確實(shí)能不斷被補(bǔ)充，Cunningham想知道Cac通道從活性區(qū)移除的速度如何。為了確定這一點(diǎn)，她使用了一種染色技術(shù)，將一種名為Maple的光轉(zhuǎn)換蛋白標(biāo)記在Cac蛋白上，她可以在選定的時(shí)間用閃光改變顏色。通過這種方式，她可以首先看到在特定時(shí)間內(nèi)積累了多少Cac(用綠色表示)，然后閃光將Cac變成紅色。當(dāng)她在5天后再次查看時(shí)，發(fā)現(xiàn)大約30%的紅色Cac已經(jīng)被新的綠色Cac取代，這意味著30%的周轉(zhuǎn)。當(dāng)她通過突變alpha2 delta或減少Cac生物合成來降低Cac傳遞水平時(shí)，Cac周轉(zhuǎn)停止。這意味著每天在活性區(qū)有大量的Cac周轉(zhuǎn)，周轉(zhuǎn)是由新的Cac交付推動的。

Littleton表示他們將在這些結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究。現(xiàn)在，鈣離子通道豐度和補(bǔ)給的規(guī)則已經(jīng)明確，他想知道當(dāng)神經(jīng)元經(jīng)歷可塑性時(shí)——例如當(dāng)新的傳入信息要求神經(jīng)元調(diào)整它們的通信以擴(kuò)大或減少突觸通信時(shí)——鈣離子通道會有何不同。他也渴望追蹤單個(gè)鈣離子通道如何在細(xì)胞體內(nèi)產(chǎn)生然后沿著神經(jīng)軸突向下移動到活躍區(qū)域，希望確定有其他哪些基因可能影響Cac豐度。

參考資料：

[1] New findings reveal how neurons build and maintain their capacity to communicate