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突觸功能是學(xué)習和記憶的基礎(chǔ)，其功能增強主要通過長時程增強(LTP)，減弱則通過長時程抑制(LTD) 。 突觸的長時程抑制(LTD)可以有多種形式，并有助于環(huán)路重建、記憶編碼或擦除。LTD涵蓋各種誘導(dǎo)途徑，包括NMDA、mGlu或P2X受體的激活。 在CA1錐體神經(jīng)元突觸的Schaeffer側(cè)枝上，這些LTD類型依賴的突觸可塑性通常受到AMPA型谷氨酸受體數(shù)量和AMPAR的自由擴散和錨定在PSD上形成的膜平衡的調(diào)節(jié)。這種平衡涉及AMPAR相關(guān)蛋白和突觸后支架蛋白（例如PSD-95）的結(jié)合。然而，目前研究很少涉及LTD引起的分子重組。 在此背景下，來自法國波爾多的神經(jīng)科學(xué)研究所的研究人員于2021年5月14號在Nature Communications上發(fā)文，NMDAR依賴性LTD觸發(fā)PSD-95的深刻重組，導(dǎo)致突觸后膜變化，增加短期可塑性，從而改善抑制性突觸的神經(jīng)元反應(yīng)。  歡迎加入 全國學(xué)習記憶學(xué)術(shù)討論群 添加小編微信 brainnews_11 -留言：學(xué)習記憶研究群- 作者通過直接隨機光學(xué)重建顯微鏡(dSTORM)實驗和電生理記錄大鼠原代海馬神經(jīng)元的ATP或NMDA處理后的AMPAR組織和電流，從膜表面的孤立受體中提取單個AMPAR的熒光發(fā)射特性，并用于估計不同神經(jīng)元區(qū)室AMPAR的密度和數(shù)量。 NMDA處理后會導(dǎo)致樹突軸和棘中AMPAR密度快速穩(wěn)定降低。NMDAR依賴性LTD還與每個納米域AMPAR含量的快速（在NMDA應(yīng)用后的前10分鐘內(nèi)）和穩(wěn)定（最多3小時）消耗有關(guān)。 AMPAR突觸的這種重組與AMPAR介導(dǎo)的微小興奮性突觸后電流（mEPSC)的抑制有關(guān)，在NMDA處理后可以持續(xù)長達3小時。ATP處理AMPAR納米級組織后能夠誘導(dǎo)強大且持久的LTD，這種AMPAR納米域的消耗與mEPSC振幅的穩(wěn)定持久下降有關(guān)。 圖1 NMDA和ATP應(yīng)用在與長期突觸電流抑制相關(guān)的突觸處觸發(fā)AMPAR快速持久的納米級重組 2.AMPAR橫向擴散在NMDAR依賴性LTD期間增加，但在P2XR依賴性LTD期間不增加 突觸可塑性與AMPARs胞吞和胞吐作用都有關(guān)。AMPAR通過橫向擴散從突觸逃逸后，被突觸前膜短暫內(nèi)吞，從而誘導(dǎo)了NMDAR和P2XR 依賴性的LTD。 基于此，作者通過單粒子跟蹤技術(shù)uPAINT，測量了細胞表面的內(nèi)源性AMPAR亞基GluA2的遷移率，以及通過樹突表達eGFP-Homer1c作為突觸標記物。在基礎(chǔ)條件下和NMDAR或P2XR依賴性LTD誘導(dǎo)下在對細胞進行樣本采集。 NMDA處理后，AMPAR移動部分增加了35%。然而載體（H2O）處理或ATP處理后AMPAR橫向擴散沒有變化。NMDAR依賴性LTD誘導(dǎo)后AMPAR遷移率的增加在NMDA處理后的前20分鐘內(nèi)逐漸發(fā)生并保持穩(wěn)定長達3小時。 當LTD由NMDA處理誘導(dǎo)時，移動受體的固定持續(xù)時間（反映AMPAR對支架蛋白的親和力）顯著降低。在應(yīng)用NMDA之前，在突觸處，含有GluA2的受體在軌跡持續(xù)時間的約60% (60.56 ±1.91) 中保持不動，而該持續(xù)時間在10分鐘后降至48.92% ±2.11，并在NMDA治療后30分鐘降至40.37% ± 2.03。相比之下，在ATP處理后，該百分比保持不變。 該部分結(jié)果顯示，受抑制的突觸的長期平衡可能不是通過內(nèi)/胞吐不平衡來維持，而是通過改變AMPAR與PSD相互作用來維持，以犧牲固定受體為代價來增加移動受體池。 圖2 NMDAR依賴的LTD而不是P2XR依賴的LTD觸發(fā)了AMPAR橫向擴散的長期增加 3.NMDAR依賴性LTD 使PSD-95 T19位點磷酸化，并通過自噬誘導(dǎo)其降解 PSD-95是興奮性突觸后密集區(qū)的主要支架蛋白，也是突觸AMPAR穩(wěn)定的主要參與者。PSD-95的T19殘基是一個GSK3β磷酸化位點，對LTD的誘導(dǎo)至關(guān)重要，且PSD-95在LTD期間的降解可能是由自噬誘導(dǎo)的。 WT PSD-95的過度表達觸發(fā)了每個納米域突觸AMPAR和PSD-95分子的增加，與mEPSC振幅的增加相關(guān)。WT PSD-95 在NMDAR依賴性LTD誘導(dǎo)時導(dǎo)致突觸AMPAR和PSD-95的數(shù)量減少，且mEPSC振幅減少。 相比之下，T19A突變體PSD-95的過表達阻止了NMDA誘導(dǎo)的突觸AMPAR和PSD-95數(shù)量的減少，并抑制了mEPSC的抑制。進一步應(yīng)用TDZD8（GSK3β抑制劑），發(fā)現(xiàn)前10分鐘內(nèi)，NMDA治療引發(fā)了突觸強度（mEPSC）的下降。然而，在誘導(dǎo)后20和30分鐘，突觸抑制被消除。 這些結(jié)果證明特異性NMDAR而非P2XR依賴性LTD，在PSD-95的T19位置觸發(fā)磷酸化，將PSD-95蛋白靶向自噬體，使PSD-95蛋白降解，且這種抑制負責維持LTD并導(dǎo)致AMPAR表面遷移率的增加。 圖3 T19位置的PSD-95磷酸化對于NMDAR依賴的LTD誘導(dǎo)的分子重組至關(guān)重要 4.在NMDAR依賴的LTD期間短期可塑性增加，需要AMPAR橫向擴散 為了確定NMDAR與P2XR抑制的突觸中移動AMPAR比例差異是否對突觸產(chǎn)生功能性影響。作者對急性海馬腦切片中的CA1神經(jīng)元進行了全細胞膜片鉗記錄，并在刺激Schaffer側(cè)枝時測量了短期突觸可塑性。 應(yīng)用NMDA后，EPSC振幅降低了約35%，ATP誘發(fā)EPSC振幅降低了約28%。表達P2XR依賴性LTD的神經(jīng)元不會觸發(fā)AMPAR遷移率的增加，呈現(xiàn)出與基礎(chǔ)狀態(tài)期間測量的相似的配對脈沖響應(yīng)。相比之下，用NMDA處理的神經(jīng)元，表現(xiàn)出移動AMPAR比例的增加，與基礎(chǔ)狀態(tài)的神經(jīng)元相比，配對脈沖比顯著增加。 在培養(yǎng)的神經(jīng)元中表達了熒光谷氨酸報告基因（iGluSnFR），并測量了通過電場刺激觸發(fā)突觸前動作電位后突觸后熒光的變化。LTD方案（ATP或NMDA）均未顯著改變突觸前釋放概率。 在1Hz刺激15分鐘后，觀察到第一個峰值幅度下降23±5.1%。LFS（低頻刺激）誘導(dǎo)LTD后30分鐘，與誘導(dǎo)前相比，神經(jīng)元的配對脈沖比顯著增加，證實了突觸誘導(dǎo)的LTD引發(fā)與NMDAR依賴的LTD相似的反應(yīng)。 圖4 NMDAR依賴性LTD與頻率刺激促進相關(guān)，而不影響釋放概率 5.建模證實增加 AMPAR的移動性可以改善突觸反應(yīng) 為了從理論上評估AMPA內(nèi)吞作用或解除捕獲對AMPAR移動性、組織和突觸反應(yīng)的影響，我們使用MCell軟件進行了蒙特卡羅模擬。 根據(jù)文獻和實驗結(jié)果，模擬AMPAR電流幅度與兩個不同相互作用常數(shù)變化之間的關(guān)系：（1）內(nèi)吞速率（k8*3），（2）PSD-95失活率 (k6*4)。 k6*4Inact條件觸發(fā)了配對脈沖比的增加，第二次釋放的AMPAR激活增加了18.7%，第三次釋放增加了20.4%。而 k8*3Endo條件不影響AMPAR移動性，并沒有改變頻率的突觸響應(yīng)。這些模擬表明，由于陷阱數(shù)量減少引起的自由擴散 AMPAR 池的增加足以觸發(fā)配對脈沖促進。 圖5 計算機模擬圖，AMPAR 解脫誘導(dǎo)了突觸電流的抑制和突觸反應(yīng)性的增加 綜上，NMDAR或P2XR依賴性LTD都與突觸AMPAR的丟失和重組有關(guān)，但只有依賴NMDAR的LTD誘導(dǎo)才能觸發(fā)PSD-95的深刻重組，其分子機制是PSD-95的T19位置觸發(fā)磷酸化，將PSD-95蛋白靶向自噬體，使PSD-95蛋白降解進而導(dǎo)致AMPAR表面遷移率增加。突觸后變化通常發(fā)生在NMDAR依賴性LTD期間，導(dǎo)致短期可塑性增加，從而改善了抑制性突觸的神經(jīng)元反應(yīng)。  Compans, B.; Camus, C.; Kallergi, E.; Sposini, S.; Martineau, M.; Butler, C.; Kechkar, A.; Klaassen, R. V.; Retailleau, N.; Sejnowski, T. J.; Smit, A. B.; Sibarita, J. B.; Bartol, T. M., Jr.; Perrais, D.; Nikoletopoulou, V.; Choquet, D.; Hosy, E., NMDAR-dependent long-term depression is associated with increased short term plasticity through autophagy mediated loss of PSD-95. Nat Commun 2021, 12 (1), 2849. doi: 10.1038/s41467-021-23133-9 編譯作者：Ivy（brainnews創(chuàng)作團隊） 校審：VAN（brainnews編輯部） |
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