前沿! 突触CPTX分子恢复神经连接学术资讯

来源：逻辑神经科学

突触（synapse）是神经回路中的基本结构和功能单元。它建立了神经元之间的连接，并提供了神经元之间的沟通途径【1】。在分子水平上，突触是高度动态的，突触的构建和重塑在整个生命过程中都受到突触组织者蛋白的控制，对大脑生理的各个方面都至关重要【3】。然而在过程中可能会发生某些错误，这些错误通常会导致兴奋性信号和抑制性信号之间的失衡【4】。

不同的突触类型

研究已证实，这种信号失衡这被认为是诸多神经精神疾病或神经退行性疾病的主要原因，包括自闭症、癫痫、精神分裂症和阿尔茨海默症（AD）等【5-6】。这从而提示了控制突触数量和/或功能的分子工具将是非常可取的。从生理学上说，突触的形成是由突触形成者蛋白（synaptic organizer proteins）所驱动的。在这些蛋白中，细胞外支架蛋白很有独特性，比如小脑素-1（简称Cbln1）、神经元正五聚蛋白-1（简称NP1）等，可以通过与突触间隙的突触前和/或突触后细胞表面蛋白的相结合来快速诱导突触分化【7】。

神经元正五聚蛋白-1，即NP1，可以招募突触后AMPA亚型离子性谷氨酸受体（简称AMPARs）（包括GulA1-3等），以应答兴奋性神经传递【8】。然而，在体内，NP1似乎不能诱导突触前的特异性形成【9】。相比之下，Cbln1，即小脑肽-1，可以通过其自身N端的多聚结构域与细胞黏着分子轴突蛋白（简称Nrx）相互作用，并促进突触前分化，但是Cbln1却不能与AMPARs相结合【10】。

那么，鉴于这样一个科学背景，日本庆应大学医学院Michisuke Yuzaki教授、英国医学研究理事会分子生物学实验室的A. Radu Aricescu教授、以及德国神经退行性疾病中心的Alexander Dityatev教授合作团队推测：共同具体Cbln1和NP1结构特征的合成分子可以有效逆转兴奋性突触的丢失，进而促进神经系统疾病动物模型中受损神经元回路的结构和功能的恢复。研究成果已于2020年8月28日以A synthetic synaptic organizer protein restores glutamatergic neuronal circuits为题在线发表于Science。

首先，该研究团队结合天然的突触结构元素，合成了一种六聚体可溶性细胞外支架蛋白，简称为CPTX。此分子包含了Cbln1的多聚结构域和NP1的正五聚蛋白结构域。接着，研究人员推测，CPTX可能会诱导Nrx-CPTX-AMPAR跨突触分子桥梁的形成，并促进突触前囊泡的释放器和突触后神经递质的积累与排布。

的确，重组的CPTX可以特异性地与突触前轴突蛋白（Nrx）亚型以纳摩尔亲和力的方式相结合，这种Nrx亚型是插入有“拼接序列4”（即Nrx (+4)）且为30个氨基酸残基的一段序列（简称SS4插入序列）；CPTX与AMPAR受体GulAs的结合也是以纳摩尔亲和力的方式。这暗示：CPTX或可作为突触形成者。

那么，CPTX能否真的可以作为突触形成者蛋白呢？在小脑颗粒细胞和海马神经元的体外培养中，作者发现，CPTX诱导突触素（即突触小泡蛋白）积累或囊泡谷氨酸转运体1的积累；当共表达Nrx1β(+4)和CPTX时，会促进AMPAR受体GluA1-3的积累。这些结果说明：在体外，CPTX可以通过结合突触前Nrx(+4)和突触后AMPARs作为双向突触的形成者蛋白，并诱导兴奋性突触前和突触后位点。

那么，在体内，CPTX的效果又如何？体外结果和体内结果是否相匹配呢？于是，研究人员分别在小脑性共济失调Cbln1敲除和GluD2小鼠模型的小脑中注射了CPTX。结果表明，CPTX会诱导兴奋性PF-PC突触，即平行纤维-浦肯野细胞突触（parallel fiber-Purkinje cell synapses）的数量增多，这种功能性突触会有助于小鼠运动协调能力的恢复；的确，在紧接的行为学试验中，共济失调小鼠的运动协调能力获得了明显恢复；而且结果也表明，CPTX的确能够在体内作为突触形成者蛋白。这些结果整体提示：在体内，CPTX可诱导PF-PC突触形成，且这些突触有助于不依赖GluD2的小脑功能的恢复。同时，在中年5xFAD小鼠（家族性AD模型）的海马体中注射CPTX后，减少的树突棘密度获得了恢复，谢氏侧支（Schaffer collateral）-CA1突触处的已受损长时程增强效应（long-term potentiation）也有明显改善，而且小鼠海马依赖性的学习能力也得到了恢复。最后，在脊髓损伤小鼠模型的损伤组织中单次注射CPTX足以重组兴奋性神经回路，进而促进脊髓损伤的功能性恢复，且小鼠运动能力恢复达7-8周以上。在这里，作者认为，内源性的突触形成者蛋白可能进一步稳定了这种重组回路；而且CPTX导致小鼠运动能力的恢复机制不同于软骨素酶ABC作用机制。软骨素酶ABC是一种强烈促进神经再生的酶，可以明显促进创伤后早期阶段的运动恢复。

合成性突触组织者CPTX的设计及其应用

同期，英国伦敦大学学院细胞学和发育生物学系的Patricia C. Salinas教授在Science发表了题目为Restoring neuron connections的观点性文章，对Suzuki等人的这项工作做了高度点评。

文章结论总的来说，这项研究表明，CPTX在体外和体内均能够作为突触形成者蛋白，并诱导兴奋性突触前和突触后位点。

CPTX可以分别恢复小脑共济失调、家族性AD、及脊髓损伤小鼠的突触功能、运动协调能力、空间和背景记忆能力、以及运动能力。

同时，这项研究也提示，以结构为导向的方法可以帮助修复神经回路，CPTX代表了一种可以有效修复或重塑神经回路的生物制剂的原型，这种方法可能会激发基础神经科学、以及神经障碍治疗的各种创新分子工具的发展。

来源：LT-Neuroscience 逻辑神经科学

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