通过突触类型特异性控制局部蛋白质合成的皮层连接

背景

大脑皮层的功能依赖于数十种不同类型的兴奋性谷氨酸能锥体细胞和抑制性含γ-氨基丁酸 (GABA-氨基丁酸)中间神经元之间突触连接的特异性。神经元在发育过程中使用专用的转录程序来控制突触的特异性。然而，目前尚不清楚mRNA翻译的调节是否也参与促进特定突触的形成。雷帕霉素复合体1 (mTORC1)是控制蛋白质合成的主要信号通路之一，mTORC1是一种由生长因子信号激活并被蛋白质Tsc1和Tsc2 (分别为TSC亚基1和2)抑制的分子复合体。mTORC1通路的多种蛋白存在于发育中的轴突中，在成人大脑皮层中，局部蛋白合成发生在兴奋性和抑制性突触。与神经发育障碍相关的许多基因的变异编码在突触处发现的蛋白质，而蛋白质合成的改变是其中几种疾病的合理病理生理机制。例如，TSC1和TSC2的突变会导致结节性硬化症，这是一种临床特征包括癫痫发作和孤独症谱系障碍 (ASD)的综合征。

简介

2022年11月25日，Clémence Bernard及其团队在Science (IF: 63.832)杂志上发表名为Cortical wiring by synapse type–specific control of local protein synthesis[1]。

主要结果

局部翻译在轴突导向过程中有助于大脑连接，但其对突触形成的直接作用尚不清楚。此外，局部翻译在特定突触连接水平上的差异调节仍不清楚。本研究采用小鼠遗传学、RNA测序、生物化学和体内实验操作来研究大脑皮质中突触连接发育过程中的局部蛋白质合成。我们研究了皮质锥体细胞和皮质中间神经元的两个主要亚类，细小白蛋白 (PV)和生长抑素 (SST)表达细胞之间兴奋性突触连接的形成。这些中间神经元具有相似的发育轨迹，占据新皮质的相同层，并与锥体细胞相互连接，但它们在皮质功能中发挥的作用却截然不同。

缺乏Tsc2的中间神经元的特异性突触缺陷

为了探索蛋白质合成在大脑皮层不同类型细胞连接中的作用，我们从两个最大的皮质GABA能中间神经元群：细小白蛋白 (PV)和生长抑素 (SST)表达细胞中敲除了Tsc2。为此，我们将驱动早期有丝分裂后PV+和SST+中间神经元重组的Lhx6-Cre小鼠与携带条理性(即Cre依赖性)Tsc2等位基因 (Tsc2F/F)和用于显示重组细胞的报告基因的小鼠杂交。我们选择这两种细胞类型是因为，尽管它们来自共同的前体细胞内侧神经节隆起 (MGE)和视前区 (POA)，分布在新皮质的同一层，并且都与锥体细胞相互连接，但它们在皮质信息处理中发挥着非常不同的作用。

接下来，我们研究了Tsc2缺失是否影响新皮质中PV+和SST+中间神经元的突触形成。为此，我们通过量化PV+和SST+中间神经元的体细胞和树突上含有囊泡谷氨酸转运体1 (VGluT1，兴奋性谷氨酸能终末的特征成分)和PSD95 (兴奋性突触后密度中的主要支架蛋白)的点，评估了皮质PV+和SST+中间神经元接收的兴奋性突触的数量 (图1)。PV+中间神经元中的两个Tsc2等位基因导致这些细胞与对照同窝小鼠的神经元相比接受的兴奋性突触密度增加 (图1A和B)。相比之下，Tsc2的条件性缺失没有导致SST+中间神经元接受的兴奋性突触密度的变化 (图1C和D)。VGluT1+斑点和PSD95+斑点的大小没有因Tsc2的缺失而改变。

图1. Tsc2对突触发育的不同贡献

我们发现在发育过程中Tsc2的缺失导致PV+和SST+中间神经元中mTORC1的过度激活，导致mTORC1效应蛋白S6rp的异常活化和细胞大小的增加。然而，仅在PV+上而非SST+中间神经元上建立兴奋性突触的正常补体似乎需要Tsc2功能。Tsc2对于在锥体细胞上形成抑制性PV+突触似乎也是不可或缺的。因此，尽管Tsc2的缺失导致PV+和SST+细胞中mTOR信号的全面中断，但它以细胞类型特异性和突触类型特异性的方式影响中间神经元的布线。我们的实验表明，这种特异性是由Erb-B2受体酪氨酸激酶4 (ErbB4)介导的，它由PV+中间神经元特异性表达，并存在于兴奋性轴突接触的突触后密度。ErbB4信号抑制Tsc2的功能，使mTOR在接触PV+中间神经元的兴奋性输入的突触后密度发挥作用。ErbB4激活最终导致编码细胞粘附分子 (SynCAM1、Nlgn3、TrkC和Clstn2)和AMPA受体相关蛋白 (GluA4和Stargazin)的mRNAs的突触翻译。功能丧失实验表明，这些分子是在PV+中间神经元上形成兴奋性突触的正常补体所必需的。虽然ErbB4激活和局部蛋白质合成之间的直接联系只在少数mRNAs中建立，但对缺乏ErbB4的PV+中间神经元的突触翻译体的分析表明，更多转录物的局部翻译——包括许多变异与ASD相关的转录物——可能在突触形成过程中受该信号通路的控制。

图2. 突触形成中的局部蛋白质合成

结论及展望

我们的研究结果表明，在突触形成过程中，蛋白质合成受到细胞类型特异性和突触类型特异性方式的调节。在多种细胞环境中，mTORC1信号的调节因子Tsc2调节PV+细胞上的兴奋性突触的发育，但不调节SST+中间神经元上的。这种特异性是由ErbB4的激活介导的，ErbB4通过抑制Tsc2和随后诱导局部mRNA翻译的分子程序来控制兴奋性突触的发育。因此，局部蛋白质合成在特定连接水平上受到调控，以控制神经系统中突触的形成。

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm7466

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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