大腦皮層的功能依賴于數(shù)十種不同類型的興奮性谷氨酸能錐體細胞和抑制性含氨基丁酸（GABA能）中間神經元之間突觸連接的特異性。神經元在發(fā)育過程中使用特定的轉錄程序來控制突觸的特異性。然而，目前尚不清楚mRNA翻譯的調節(jié)是否也參與促進特定突觸的形成。

控制蛋白質合成的主要信號途徑之一為雷帕霉素復合物1（mTORC1）的機制靶點，雷帕霉素是一種由生長因子信號激活并被蛋白質Tsc1和Tsc2（分別為TSC亞基1和2）抑制的分子復合物。mTORC1通路的多種蛋白質存在于發(fā)育中的軸突中，局部蛋白質合成發(fā)生在成年大腦皮層的興奮性和抑制性突觸中。

在軸突導向過程中，局部翻譯有助于大腦連接，但其對突觸形成的直接貢獻尚不清楚。此外，在特定突觸連接水平上，局部翻譯在多大程度上受到差異調節(jié)仍然未知。

近日，英國倫敦國王學院Beatriz Rico和Oscar Marín研究團隊在Science上發(fā)表研究，發(fā)現(xiàn)在突觸形成過程中，蛋白質合成以細胞類型特異性和突觸類型特異性的方式進行調節(jié)。

缺乏Tsc2的中間神經元中特異性突觸缺陷

研究人員首先在兩個最大的皮質GABA能中間神經元組中敲除了Tsc2：表達小清蛋白（PV）和生長抑素（SST）的細胞。發(fā)現(xiàn)Tsc2的缺失會導致PV+和SST+中間神經元中mTOR信號的過度激活，細胞大小也顯著大于對照組。

然而，PV+中間神經元中一個或兩個Tsc2基因的缺失導致這些細胞所接收的興奮性突觸的密度與對照相比顯著增加，而SST+中間神經元接收的興奮性突觸密度則沒有變化[Fig.1]。

Figure 1 Tsc2對突觸發(fā)育的不同貢獻

Tsc2在突觸中的ErbB4下游發(fā)揮作用

受體酪氨酸激酶ErbB4富集在PV+而非SST+中間神經元，是在PV+中間神經元上形成興奮性突觸所必需的。因此，可能僅限于含有ErbB4受體的PV+籃細胞接收的興奮性突觸發(fā)生改變。

結果發(fā)現(xiàn)，僅有Erbb4條件突變體的Nrg3+/PSD95+突觸體中的P-S6rp特異性降低[Fig.2G-I]，這對應于PV+籃細胞在錐體細胞上形成的突觸。這表明ErbB4調節(jié)由PV+中間神經元接收的興奮性突觸中的mTOR信號。

此外，從PV+細胞中敲除一個Tsc2等位基因足以挽救Erbb4條件突變體中發(fā)現(xiàn)的興奮性突觸的丟失。表明Tsc2在ErbB4下游調節(jié)PV+中間神經元的興奮性突觸輸入。

Figure 2 ErbB4調節(jié)與PV+中間神經元接觸的興奮性突觸的mTOR

Erbb4突變體中突觸翻譯組的變化

接下來，研究人員對ErbB4條件突變體中的突觸翻譯組學進行研究，發(fā)現(xiàn)突變體中70%的差異表達基因下調。GO分析揭示在“突觸組織”、“神經遞質受體活性”和“谷氨酸能突觸”等過程中基因的富集，突出了突變體中的突觸改變[Fig.3]。

Figure 3 Erbb4突變體中突觸核糖體相關mRNA的改變

ErbB4調節(jié)突觸內局部蛋白質合成

mTORC1信號對蛋白質合成的調節(jié)至關重要，因此，ErbB4可能通過抑制Tsc2來控制突觸的局部蛋白質合成，從而調節(jié)突觸的形成。為此，使用神經調節(jié)蛋白的表皮生長因子（EGF）樣結構域的可溶性形式處理皮質突觸體，以激活ErbB4受體，并通過Western blot檢查候選蛋白。發(fā)現(xiàn)ErbB4信號的激活后增加了突變體中下調的核糖體相關mRNA的翻譯[Fig.4]。

Figure 4 ErbB4調節(jié)突觸蛋白的局部翻譯

結 論

本研究表明，在突觸形成過程中，蛋白質合成以細胞類型特異性和突觸類型特異性的方式進行調節(jié)。Tsc2是多種細胞環(huán)境中mTORC1信號的調節(jié)器，調節(jié)PV+細胞上興奮性突觸的發(fā)育，但不調節(jié)SST+中間神經元。這種特異性由ErbB4的激活介導，ErbB4通過抑制Tsc2和隨后誘導局部mRNA翻譯的分子程序來控制興奮性突觸的發(fā)育。因此，局部蛋白質合成在控制神經系統(tǒng)突觸形成的特定連接水平上受到調節(jié)。

參考文獻：

Bernard, Clémence et al. “Cortical wiring by synapse type-specific control of local protein synthesis.” Science (New York, N.Y.) vol. 378,6622 (2022): eabm7466. doi:10.1126/science.abm7466

編譯作者：Young（brainnews創(chuàng)作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）

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