研究人员发现了大脑里的“金门大桥”

Max Planck Florida Institute for Neuroscience (MPFI)的研究人员发现，细胞粘附蛋白IgSF11决定了一种独特的皮层中间神经元的层特异性突触连接。

　　

 

   

作者Yasufumi Hayano和Hiroki Taniguchi

金门大桥有着极为优美的景色和惊人的高度，绝对配得上它作为世界现代奇迹之一的称号。它优雅的装饰艺术风格和标志性的塔楼为游客们提供了一个值得赞叹的拍照机会。金门绵延近2英里，是促进思想、商品和人员交流的重要门户。

我们的大脑有类似的连接神经元的通道，尽管规模不大。这些被称为突触的小隔间，使信息的动态交换和神经回路的形成成为可能。为了构建这些回路，正在发育的神经元必须首先遵循特定的引导线索，在大脑中穿行，直到找到合适的伴侣。这一过程对大脑皮层非常重要，大脑皮层由功能和解剖学上不同的六层组成。尽管人们对大脑皮层进行了广泛的研究，但对其皮层内驱动突触特异性的精确分子机制所知甚少。对于一类叫做抑制性中间神经元(INs)的特殊神经元来说尤其如此，这种神经元通常只与一层或两层进行局部连接。揭示起作用的分子将进一步了解皮质抑制电路的形成。

在最近发表在《Science Advances》杂志上的一篇文章中，马克斯·普朗克佛罗里达的Taniguchi实验室阐明了大脑皮层中抑制性突触特异性的新机制。发现了细胞粘附分子IgSF11的新作用，发现该蛋白介导皮层吊灯细胞(也称作轴突-轴突细胞，ChCs)层特异性突触靶向。

“我们的实验室专门研究皮质中间神经元和抑制电路的形成，”Hiroki Taniguchi博士描述。“吊灯细胞，我们最喜欢的中间神经元亚型之一，已经被证明表达独特的遗传标记，并只刺激皮层的某些层。ChCs主要控制皮层主要神经元的棘突生成，并与精神分裂症和癫痫等大脑疾病的病理有关。我们认为这种模型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完美地方。”

MPFI的科学家们开始了他们的研究，使用单细胞RNA测序来从基因上筛选特定亚型的INs基因。他们在一个有趣的类别中发现了一组精选的基因，称为细胞粘附分子(CAMs)。其中一个CAM,——IgSF11——与其他INs亚型相比，在ChCs中高度富集。

该论文的第一作者、Taniguchi实验室的研究科学家Yasufumi Hayano博士解释说:“我们对INs的基因筛选是我们第一次发现IgSF11的地方。我们正在寻找编码细胞表面蛋白质的亚型特异性基因，认为那些表达在神经元外部的基因是介导突触特异性相互作用的完美候选基因。”

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，在神经元外表达，并在大型复合物中相互作用，促进细胞间的相互作用。它们形成的桥状复合体为新形成的突触提供了稳定性，并帮助细胞粘附和交流。其中一种CAMs被称为同源CAMs，它只与与自己相同的其他CAMs相互作用，理论上有可能介导突触形成的特异性。

在确定IgSF11为同源性CAM后，MPFI团队寻找了ChCs支配的皮层2/3层上半部分神经元中IgSF11的表达，认为同源性CAM相互作用需要在两侧均有表达。利用荧光原位杂交(FISH)，研究人员发现IgSF11在两个ChCs和位于皮层2/3层的靶神经元中都有强劲的表达，但在其他层中没有;提供了强有力的证据，表明IgSF11相互作用在ChC突触特异性中是重要的。

接下来，Taniguchi实验室通过将IgSF11从大脑中移除并检查其变化，评估了IgSF11在ChC突触形成中的功能作用。为了分析IgSF11是只在ChCs上起作用，还是同时在ChCs和目标皮层神经元上起作用，该团队必须开发一种策略，允许有选择地去除IgSF11。为了实现这一目标，MPFI科学家们生成了IgSF11 KO小鼠，并将荧光识别出的KO ChCs移植到野生型(wt)宿主动物中。KO ChC在突触扣的大小和数量上都显示出显著的减少。将wt ChCs移植到IgSF11 KO小鼠的大脑中，也导致了相同的减少，这证实了IgSF11通过同源性相互作用赋予其特异性的假说。综上所述，IgSF11似乎与ChC突触的发育和形态分化密切相关。

与MPFI的电子显微镜中心和Kwon实验室的合作进一步深入研究了KO IgSF11的功能后果。高倍电镜的超微结构分析显示，KO ChCs中仅存的少数突触扣没有正确分化，表现出突触传递的缺陷。支持这一数据的是，IgSF11 KO小鼠的光遗传学辅助电生理显示了额外的突触传递缺陷。

“使用吊灯细胞的一个挑战是很难用传统的方法对它们进行基因操作，”Hayano博士解释说。“为了克服这一问题，我们设计了一种新的基于病毒的策略，使用腺相关病毒将一种难以表达的蛋白质IgSF11传递到目标细胞。”

MPFI团队使用他们的AAV病毒策略来研究IgSF11在不同皮层层(除了第2/3层)的神经元中表达是否可以人工诱导与ChCs形成突触。他们用IgSF11对V层的神经元进行转导，发现这些细胞和吊灯细胞之间形成了许多异位突触;在正常情况下不会发生的现象。

Taniguchi指出:“IgSF11是第一个被鉴定为直接介导皮层神经元间亚型、神经元层特异性突触形成的细胞粘附分子。进一步阐明抑制回路组装的分子机制可能揭示其他不同神经元间亚型的类似模式，并有助于阐明抑制回路是如何形成的。我们的工作可能为理解由独特的神经元间亚型电路缺陷引起的神经发育障碍的病因提供了一个有用的切入点。”

原文检索：IgSF11 homophilic adhesion proteins promote layer-specific synaptic assembly of the cortical interneuron subtype

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关于马普佛罗里达神经科学研究所

马克斯·普朗克佛罗里达神经科学研究所(MPFI)是一个非营利性研究机构，是世界著名的马克斯·普朗克学会的一部分。马克斯·普朗克学会是德国最成功的研究机构，在全球拥有80多个研究所。自1948年成立以来，已有20位诺贝尔奖得主从其科学家队伍中脱颖而出。作为其在美国的第一个机构，MPFI为来自世界各地的杰出神经科学家提供了资源和技术来回答有关大脑发育和功能的基本问题。MPFI研究人员采用一种好奇心驱动的方法来开发新技术，使突破性的科学发现成为可能。欲了解更多信息，请访问https://www.mpfi.org/。