突触小泡融合促进磷脂酰肌醇 4 - 磷酸合成对高效突触传递的关键作用

本文揭示了磷脂酰肌醇 4 - 激酶 IIIα（PI4KIIIα）对维持突触前磷脂酰肌醇 4 - 磷酸（PI (4) P）水平至关重要。突触小泡（SV）融合提供合成前体促进 PI (4) P 合成，PI (4) P 水平降低会损害 SV 循环，影响突触传递，该研究对理解神经传递机制意义重大。

　　

引言

突触传递由突触小泡（SV）的胞吐作用启动，SV 循环对维持突触传递至关重要。磷酸肌醇在 SV 循环中起关键作用，其中磷脂酰肌醇 4,5 - 二磷酸（PI (4,5) P₂）的功能和动态已较为明确，但突触前磷脂酰肌醇 4 - 磷酸（PI (4) P）的作用除作为 PI (4,5) P₂合成前体外，仍知之甚少。本研究提出一种 PI (4,5) P₂非依赖机制，即 SV 融合维持突触前 PI (4) P 水平，其抑制会导致 SV 循环受损。

结果

1. PI4KIIIα 对突触前 PI (4) P 水平的维持和活性依赖增加至关重要：通过对培养的海马神经元进行免疫细胞化学分析，发现 PI (4) P 信号在树突上呈点状分布，在突触前末端信号较弱。去极化刺激后，PI (4) P 信号显著增加。使用 PI4K 抑制剂处理神经元，发现 PI4KIIIα 的抑制剂 GSK-A1 完全消除了 PI (4) P 水平的活性依赖增加，且降低了基础 PI (4) P 水平，表明 PI4KIIIα 负责突触前 PI (4) P 的合成和维持。此外，GSK-A1 预处理还阻断了 PI (4,5) P₂水平的活性依赖增加，但基础 PI (4,5) P₂水平不变，这使得研究 PI (4) P 的作用可独立于 PI (4,5) P₂进行。
2. SV 是维持突触前 PI (4) P 水平的 PI 来源：用破伤风毒素（TeNT）阻断 SV 胞吐或用高渗蔗糖溶液诱导钙独立的 SV 融合，结果表明 SV 融合而非 Ca²⁺内流是 PI (4) P 合成的主要触发因素。对纯化的 SV 和其他膜组分进行磷脂酰肌醇定量分析，发现 SV 富含 PI，但 PI (4) P 和 PI (4,5) P₂含量极低。免疫细胞化学和 western blotting 显示 PI4KIIIα 部分与 Syp 阳性点共定位，但在纯 SV 组分中未富集，提示 SV 融合将 PI 传递到突触前质膜，由 PI4KIIIα 转化为 PI (4) P。
3. PI (4) P 水平降低导致 SV 循环延迟：用 GSK-A1 处理神经元，通过光学报告基因 SypHy 监测 SV 循环，发现 GSK-A1 预处理显著减慢了 SV 的胞吐和内吞速率，且这种缺陷与刺激协议无关。其他不影响突触前 PI (4) P 水平的抑制剂则未导致 SV 循环差异，表明 PI (4) P 在 SV 循环中起重要作用。
4. 抑制 PI4KIIIα 通过降低突触前电压门控 Ca²⁺通道活性减少突触传递：对兴奋性自突触海马培养神经元进行膜片钳记录，发现 GSK-A1 处理显著降低了诱发的兴奋性突触后电流（eEPSC）幅度，增加了配对脉冲比率（PPR），表明 SV 释放概率降低。通过表达基因编码的 Ca²⁺指示剂 Syp-GCaMP6s 和对巨 Held 突触进行 Ca²⁺电流记录，发现 GSK-A1 处理减少了突触前 Ca²⁺内流，降低了电压门控 Ca²⁺通道的导电性，这可能是突触传递减少的主要原因。

讨论

本研究揭示了 SV 膜融合促进突触前 PI (4) P 合成的机制，PI (4) P 在调节电压门控 Ca²⁺通道功能中起重要作用，且独立于 PI (4,5) P₂调节突触传递。研究结果还表明，在活神经元中，SV 附近或 SV 簇内的磷酸酶活性可能占主导，而 PI4KIIIα 在质膜上的合成受严格调控。此外，PI4KIIIα 对动物至关重要，其基因敲除会导致小鼠和果蝇死亡，人类 PI4KIIIα 的非同义突变与多种神经系统疾病相关，凸显了其在维持大脑功能和健康中的重要性。

局限性

本研究主要依赖于 PI4K 的药理学扰动，缺乏 PI4KIIIα 敲低等分子证据，对 PI (4) P 调节 Ca²⁺通道的精确机制仍不清楚，有待进一步研究。

资源可用性

本研究的相关资源、数据和代码可向相应作者索取。