突觸前和突觸后神經(jīng)元末梢的分子組成是動態(tài)的，突觸后反應(yīng)的長期穩(wěn)定對于突觸發(fā)育和長期可塑性是必要的。由于突觸的分子構(gòu)成中與學(xué)習(xí)和記憶相關(guān)的可塑性變化，協(xié)調(diào)這些概念變得更加復(fù)雜。單顆粒追蹤技術(shù)的進步意味著我們現(xiàn)在可以量化特定突觸分子的數(shù)量和擴散特性，而統(tǒng)計熱力學(xué)為分析這些分子波動提供了基礎(chǔ)。

近日，Stephanie A. Maynard, Jonas Ranft & Antoine Triller在Nature Review Neuroscience 雜志上發(fā)表了最新的綜述Quantifying postsynaptic receptor dynamics: insights into synaptic function。

突觸是一種高度組織化的大分子結(jié)構(gòu)，可確保動作電位從一個神經(jīng)元傳遞到另一個神經(jīng)元。動作電位到達突觸前活性區(qū)導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)從突觸前囊泡釋放，隨后激活突觸后受體靶標(biāo)，這些靶標(biāo)通過專門的支架蛋白聚集在突觸后膜上（圖1a）。

以前，突觸被視為一種靜態(tài)結(jié)構(gòu)，其突觸后受體簇群的空間受限區(qū)域面向活動區(qū) （the active zone）。然而，現(xiàn)在我們知道，盡管其結(jié)構(gòu)高度有序，但突觸的分子成分是動態(tài)的。

突觸后受體組織

突觸后末端是聚集在膜上并被支架蛋白限制的受體（圖1a）。在興奮性神經(jīng)元中，這被稱為“突觸后密度”（PSD），在抑制性神經(jīng)元中，它被稱為“突觸后域”或“突觸后特化”。

受體分別通過胞吐和胞吞途徑在突觸外的位點傳遞到突觸后膜并從突觸后膜移除（圖1a）。“擴散捕獲”模型表明，在突觸后膜的突觸外部分?jǐn)U散的受體通過與支架蛋白的瞬時相互作用或由于其他跨膜蛋白或細(xì)胞骨架元件造成的分子擁擠（圖1b）。

圖1.突觸處突觸后受體的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)。

興奮性和抑制性受體的組織

包含 NMDA 受體（NMDAR）的興奮性突觸形成每個突觸的 10-40 個受體簇，這些受體也與 PSD95 結(jié)合（圖1c）。樹突棘 PSD 內(nèi)的幾個興奮性突觸后受體的空間組織已被證明與棘形態(tài)有關(guān)，將受體組織與突觸功能聯(lián)系起來。總的來說，這些發(fā)現(xiàn)表明突觸內(nèi)的分子組織（決定突觸傳遞效率）受到高度調(diào)節(jié)。

興奮性和抑制性受體的擴散系數(shù)

據(jù)報道，受體擴散系數(shù)在 0.005-0.1?μm2?s-1 的范圍內(nèi)，突觸內(nèi)和突觸外擴散系數(shù)之間具有很強的變異性。抑制性受體表現(xiàn)出突觸后膜橫向擴散，其時間尺度與興奮性受體的時間尺度相當(dāng)（圖1c）。

一個重要的問題是如何協(xié)調(diào)突觸后受體的這些動態(tài)特性與維持持續(xù)突觸身份、完整性和功能的需要，并允許與學(xué)習(xí)和記憶相關(guān)的可塑性變化。大型單分子熒光成像數(shù)據(jù)集已經(jīng)能夠通過統(tǒng)計熱力學(xué)進行分析。這些分析可以提供無法直接測量的新觀測值（圖2），并允許我們對突觸發(fā)生和突觸可塑性等過程中受體擴散的局部波動進行定量分析，并將這些與穩(wěn)態(tài)受體運動進行比較。

圖2. 超分辨單粒子軌跡分析。

分子運動的統(tǒng)計推斷

從 SPT （single-particle tracking，單粒子跟蹤）數(shù)據(jù)計算的最常見參數(shù)包括隨時間變化的擴散系數(shù)(D)和均方位移 (MSD)（圖2a）?，F(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了許多更復(fù)雜的方法來更準(zhǔn)確地描述分子運動。推理方法評估不同運動模型以定量方式描述數(shù)據(jù)的可能性（圖2d，e）。

翻譯后修飾和泛素化影響受體橫向擴散

突觸后反應(yīng)中，活動的長期穩(wěn)定，是造成長期可塑性的原因。與神經(jīng)遞質(zhì)受體相關(guān)的蛋白質(zhì)的翻譯后修飾（post-translational modifications）正在成為突觸側(cè)向擴散和親和捕獲（affinity trapping：由于其與結(jié)合伙伴的親和性，分子被困在特定的細(xì)胞位置）的主要調(diào)節(jié)因子，這些突觸被認(rèn)為是這些穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

NMDAR 依賴性突觸強度的長期抑制已被證明，通過使用基于 PAINT 的 SPT 成像，誘導(dǎo)突觸處 PSD95 的去磷酸化，導(dǎo)致 AMPAR 表面擴散增加，突觸 AMPAR 含量損失（圖3a）并增加 CA1 神經(jīng)元的短期可塑性。Radixin去磷酸化或消耗從突觸外池中釋放含有α5亞基的GABAAR，導(dǎo)致突觸受體數(shù)量增加，和微型抑制性突觸后電流的頻率增加（圖3a）以及短期記憶和逆轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)受損。

受體脫敏和構(gòu)象影響流動性

短期可塑性依賴于神經(jīng)遞質(zhì)受體的激活及其從脫敏中的恢復(fù)。脫敏受體與stargazin（腦特異性跨膜蛋白）的結(jié)合減少，從而降低了它們的突觸穩(wěn)定性。在突觸前刺激后防止 AMPAR 擴散遠(yuǎn)離突觸會降低興奮性突觸后電位幅度，從而降低短期可塑性（圖3b）。因此，stargazin 在很長一段時間內(nèi)調(diào)節(jié)突觸部位可用的可激活 AMPAR 的數(shù)量（以及突觸強度）。

受體遷移率隨樹突距離的不同而不同

這些受體在近端樹突節(jié)段中的組織和擴散受到它們與 CaMKII 相互作用的調(diào)節(jié)（圖3c），CaMKII 在近端樹突棘中以更高的密度聚集。阻斷神經(jīng)元活動會增加近端節(jié)段中含有 GluN2B 的 NMDAR 數(shù)量，這表明近端節(jié)段中這些受體的低密度是由神經(jīng)元活動維持的。

圖3. 突觸特異性時間動態(tài)。

結(jié) 論

SPT 超分辨率顯微鏡、能夠?qū)壽E類型進行分類和提取物理參數(shù)的跟蹤算法，以及對這些高密度成像數(shù)據(jù)集進行建模，以推導(dǎo)出新的可觀測數(shù)據(jù)的組合，這提供了時間分辨分子動力學(xué)的定量描述。

它們揭示了在分子水平上對突觸傳遞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的重要見解，并使我們理解如何在更長的時間尺度上調(diào)和分子周轉(zhuǎn)和突觸穩(wěn)定性。讓我們在分子動力學(xué)上對突觸反應(yīng)、突觸形成和可塑性的功能變異性的貢獻有了新的認(rèn)識。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41583-022-00647-9

參考文獻：

Maynard, S.A., Ranft, J. & Triller, A. Quantifying postsynaptic receptor dynamics: insights into synaptic function. Nat Rev Neurosci (2022).

編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）

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