研究揭示皮层抑制突触特异性的新机制

　　马克斯·普朗克佛罗里达神经科学研究所(MPFI)的研究人员发现，细胞粘附蛋白IgSF 11决定了一种不同类别皮层间神经元层的特异性突触连接。
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　　虽然我们的大脑没有达到相同的宏伟规模，但我们的大脑有相似的通路来连接神经元。这些小隔间，称为突触，能够动态地交换信息和形成神经回路。要建立这些回路，发育中的神经元首先必须遵循特定的指导线索，穿过大脑，直到找到合适的伴侣。这个过程对大脑皮层很重要，大脑皮层由六个功能和解剖上不同的层次组成。虽然大脑皮层已经被广泛的研究，但是对于在其层内驱动突触特异性的精确的分子机制知之甚少。这对于一种叫做抑制性中间神经元(Ins)的特殊类型的神经元来说尤其如此，它通常只与一个或两个层进行局部连接。揭示所起作用的分子有助于进一步了解皮层抑制电路的形成。
　　最近，佛罗里达州的Taniguchi实验室揭示了一种抑制皮层突触特异性的新机制。MPFI科学家为细胞粘附分子IgSF 11确定了一种新的作用，发现该蛋白介导皮层吊灯细胞(CHCs)的层特异性突触靶向。我们的实验室专门研究皮层间神经元和抑制电路的形成。吊灯细胞是我们最喜欢的中间神经元亚型之一，已经被证明能表达独特的遗传标记，并且只支配大脑皮层内的某些层。(CHCs严格控制皮层主神经元的尖峰生成，并与精神分裂症和癫痫等脑部疾病的病理有牵连。)我们决定，这种模式的细胞类型将是我们开始寻找具有层特异性突触匹配的分子的理想场所。＂
　　博士，博士和研究小组组长，马克斯·普朗克，佛罗里达州
　　MPFI的科学家们开始了他们的研究，使用单细胞RNA测序来对Ins进行基因筛选，以确定单个亚型所特有的基因。他们在一个有趣的类别中发现了一个特定的基因库，称为细胞粘附分子(CAMP)。一种CAM，特别是IgSF 11，与其他IN亚型相比，在CHCs中高度富集。
　　＂我们对INS的基因筛选是我们第一次发现IgSF 11的地方，＂Taniguchi实验室发表和研究科学家的第一位作者，博士Yasufumi Hayano解释说。＂我们正在寻找编码细胞表面蛋白的亚型特异性基因，认为在神经元外部表达的基因将是介导突触特异性相互作用的最佳候选基因。＂
　　CAMs由一组不同的结构蛋白组成。CAMs通常被认为是一种生物胶水，它在神经元的外部表达，并在大型复合体中相互作用，从而促进细胞与细胞之间的相互作用。它们形成的桥状复合体为新形成的突触提供了稳定性，并有助于细胞粘附和通讯。一类CAMP，称为同型CAMs，只与其他与自身完全相同的CAMP相互作用，并且理论上有可能介导突触形成的特异性。
　　在鉴定IgSF 11为嗜同性CAM后，MPFI小组在大脑皮层第2/3层上半部分的神经元中寻找IgSF 11的表达。应用荧光原位杂交(FISH)技术，研究人员发现IgSF 11在CHCs和位于皮层第2/3层的靶神经元中都有较强的表达，但在其他层中不存在；这为IgSF 11在CHC突触特异性中的作用提供了有力的证据。
　　接下来，Taniguchi实验室通过从大脑中去除IgSF 11并检测其变化来评估IgSF 11在CHC突触形成中的作用。为了分析IgSF 11在功能上是否只对CHCs或CHCs和目标皮层神经元都是必需的，该团队必须制定一种允许选择性去除IgSF 11的策略。为了做到这一点，MPFI的科学家们产生了IgSF 11 KO小鼠，并将荧光识别的KO CHCs移植到野生型宿主动物中。Ko CHCs在突触突起的大小和数量上都有明显的减少。证实了IgSF 11通过嗜同性相互作用赋予其特异性的假说，将wt CHCs移植到IgSF 11 KO小鼠的大脑中，导致了同样的减少。总之，IgSF 11似乎与CHC突触bouton的发育和形态分化密切相关。
　　与MPFI的电子显微镜核心和权实验室的合作进一步探讨了KO IgSF 11的功能后果。高倍镜电镜超微结构分析显示，KO CHCs中残留的几个突触，不能正常分化，在突触传递方面表现出缺陷。支持这一数据，IgSF 11 KO小鼠的光遗传学辅助电生理学显示突触传递有额外的缺陷。
　　Hayano博士解释说：＂与吊灯细胞一起工作的一个挑战是，它们很难用传统的方法从基因上操纵。＂＂为了克服这一问题，我们设计了一种新的基于病毒的策略，使用腺相关病毒将IgSF 11(一种难以表达的蛋白质)传递给感兴趣的细胞。＂
　　MPFI组采用AAV病毒策略，研究在2/3层以外的不同皮层神经元中表达IgSF 11是否能人工诱导与CHCs形成突触。他们用IgSF 11转导V层神经元，发现这些细胞与吊灯细胞之间形成大量异位突触，这种现象在正常情况下不会发生。
　　Taniguchi博士指出：＂IgSF 11是发现的第一个细胞粘附分子，它直接介导神经元间亚型，即皮层突触的层特异性形成。＂进一步阐明抑制回路组装的分子机制可能揭示其他不同的中间神经元亚型中类似的模式，并有助于揭示抑制回路的形成。我们的工作可能为理解由独特的间神经元亚型的回路缺失引起的神经发育障碍的病因提供有用的切入点。
　　更多内容：Hayano, Y., et al. (2021) IgSF11 homophilic adhesion proteins promote layer-specific synaptic assembly of the cortical interneuron subtype. Science Advances.doi.org/10.1126/sciadv.abf1600.