《Science》破解突觸形成的機制
研究人員在了解突觸形成方面取得了重大進展。他們使用CRISPR技術觀察突觸囊泡的發育，發現突觸成分共享一個共同的運輸途徑。這一發現，加上獨特的神經轉運細胞器的發現，為神經功能和神經損傷的潛在治療方法提供了新的見解。
無論是在大腦中還是在肌肉中，神經細胞存在的地方都有突觸。突觸，神經元之間的連接，是興奮傳遞過程的基礎，興奮傳遞本質上是神經元之間的交流。在任何交流過程中，都有一個發送者和一個接收者:被稱為軸突的神經細胞過程產生并傳遞電信號，從而充當信號發送者。
圖1 磷脂酰肌醇3,5-二磷酸促進軸突小泡運輸和突觸前組裝
突觸是軸突神經末梢(突觸前)和突觸后神經元之間的接觸點。在這些突觸中，電脈沖被轉換成化學信使，并被相鄰神經元的后突觸接收和感知。信使從稱為突觸囊泡的特殊膜囊中釋放出來。
突觸在傳遞信息的同時，也可以存儲信息。雖然人們對突觸的結構和功能已經相當了解，但對它們是如何形成的卻知之甚少。
分子藥理學研究所(FMP)的一個研究小組現在已經為這個謎團提供了重要的線索。
熒光蛋白揭示突觸囊泡的發育
為了從一開始就追蹤突觸前的形成，研究人員使用CRISPR基因剪刀將熒光蛋白插入人類干細胞中，并從修改后的干細胞中產生神經元。多虧了熒光標記，研究人員現在能夠直接在顯微鏡下觀察正在發育的人類神經細胞中新生突觸囊泡的發育。
突觸囊泡是一種含有信使的膜囊泡，儲存在每個突觸中，將電信號轉化為化學信號。這些囊泡和腳手架蛋白一起構成了突觸前的中心元素，腳手架蛋白告訴突觸囊泡突觸在哪里，鈣通道化學翻譯電信號。
這三種成分都有自己的基因，因此由不同的蛋白質分子組成。由于這個原因，以前認為它們也通過不同的途徑最終聚集在一個地方，形成一個功能性突觸。
所有部件一起出發
然而，研究人員的觀察反駁了這一假設。“突觸囊泡蛋白和所謂的‘活躍區’蛋白，可能還有將突觸連接在一起的粘附蛋白，共享同一總線，”研究小組負責人Volker Haucke教授在描述這一令人驚訝的發現時說。“這是非常有爭議的。然而，我們在人類神經元培養中的數據似乎很清楚。”
但是這些蛋白質究竟是如何到達突觸形成的位置的呢?在他們的研究中，研究人員能夠證明，首先，運動蛋白的機制驅動軸突運輸。根據他們的發現，主要的驅動因素是一種被稱為“KIF1A”的驅動蛋白。這種運動蛋白以其與周圍神經系統和大腦的神經系統疾病的關聯而聞名。“我們懷疑KIF1A的突變干擾了突觸前蛋白的軸突運輸，導致神經系統癥狀，如運動障礙、共濟失調或精神殘疾，”Volker Haucke解釋說。
此外，研究人員還能夠確定軸突載體的細胞生物學特性。這又帶來了另一個驚喜:雖然絕大多數分泌囊泡來自所謂的高爾基體，但軸突運輸囊泡不包含高爾基體標記，但與內溶酶體系統共享標記，內溶酶體系統通常參與非神經元細胞中缺陷蛋白的降解。這是一種光學和高分辨率電子顯微鏡的新組合，使研究人員能夠從超微結構上觀察軸突運輸囊泡，使他們能夠描述它們的大小和形狀。
發現僅存在于神經元中的轉運細胞器
“我們的工作表明，神經元已經發明了一種新的細胞器，一種可能是神經元獨有的運輸細胞器，”FMP的博士后、該研究發表在《Science》雜志上的主要作者Sila Rizalar博士解釋說。“這和共享運輸途徑一樣鮮為人知。”
基礎研究的新發現有一天可能會對臨床應用有用。畢竟，當神經元之間的接觸點被破壞時，無論是由于疾病、事故還是衰老過程，了解軸突運輸的機制和所涉及的關鍵蛋白質是很重要的，以便進行治療干預。“理想情況下，恢復或增強軸突運輸以促進神經元再生或對抗衰老是可能的。”
雖然研究人員現在已經解開了突觸形成的關鍵機制，但許多問題仍然沒有得到解答，例如新發現的運輸細胞器是如何形成的，它們是由什么組成的，以及它們如何將它們的貨物-突觸分子-運送到目的地。這也提出了一個問題，也許，終身記憶是否使用與形成突觸相同的軸突運輸機制來存儲。
參考資料
[1] Phosphatidylinositol 3,5-bisphosphate facilitates axonal vesicle transport and presynapse assembly
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此文關鍵字：突觸形成機制
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