突触形成机理及相关疾病分析

蒋 伟，潘云龙, 龚吉红, 陈 素 , 阳小飞

(1.中南民族大学 生物医学工程学院；生命科学学院；脑认知国家民委重点实验室；医学信息分析及肿瘤诊疗湖北省重点实验室，膜离子通道与药物研发实验室，湖北 武汉 4300742.北京大学 生命科学学院；生物膜及膜生物工程国家重点实验室；北京大学麦戈文脑研究所，北京 10081)



突触形成机理及相关疾病分析

蒋 伟1,2，潘云龙2, 龚吉红1, 陈 素1, 阳小飞1

(1.中南民族大学 生物医学工程学院；生命科学学院；脑认知国家民委重点实验室；医学信息分析及肿瘤诊疗湖北省重点实验室，膜离子通道与药物研发实验室，湖北 武汉 4300742.北京大学 生命科学学院；生物膜及膜生物工程国家重点实验室；北京大学麦戈文脑研究所，北京 10081)

摘要：指出了脑基于神经环路连接的复杂性与多样性，成为了最复杂的器官，脑调节日常的行为、意识，维持思维及其他重要的生理活动。化学突触是神经环路的基本单元，细胞粘附分子通过细胞间的蛋白质相互作用参与突触形成，招募突触组分蛋白和骨架蛋白，来形成稳定的突触连接和调节突触的功能。突触形成与成熟异常可导致神经疾病的发生，如自闭症和阿尔茨海默病。综述了突触形成的研究历史，突触形成蛋白和突触形成异常相关疾病，并展望了突触形成研究未来的发展及面临的挑战。

关键词：突触形成; 细胞黏附分子; 神经疾病

1突触形成研究历史

1897年，英国神经生物学家Sherrington 发现神经元之间是不连续的，并创造性地将神经元之间的连接部位命名为“突触”[1]。1954 年，俄裔美籍犹太科学家Stanford Palay，利用电子显微镜首次成功地看到了鼠的小脑神经细胞突触结构，它直径约为1 μm，由突触前的轴突、突触后的树突及突触前后之间的突触间隙构成。同年，阿根廷细胞生物学家Eduardo De Robertis和美国细胞生物学家Stanley Bennett利用电子显微镜看到了蛙交感神经节和蚯蚓神经索的突触间隙[2]。

1992年美籍德国科学家Thomas C. Südhof认为可能是突触前后膜上面有一些跨膜的蛋白通过相互作用联接在一起，介导前一个神经元与后一个神经元形成突触，他们发现蛛毒素(latrotoxin)可以强烈地诱导神经递质释放，推测蛛毒素蛋白可能与突触上某种蛋白质发生作用，用蛛毒素蛋白为亲和层析诱饵，在大脑样本中纯化到了许多与蛛毒素结合的蛋白质，肽断分析后发现了一个位于神经突触前的跨膜蛋白质，命名为neurexin[3]并以neurexin(Nrx)蛋白为诱饵，发现了Nrx的位于突触后的配体蛋白—neuroligin[4]。

2000年，Peter Scheiffele在传代培养的HEK293细胞中过表达neuroligin(NL)蛋白约24 h后将其消化，加入到原代培养的神经元中共培养36 h，意外发现过表达NL的HEK293细胞周围聚集了很多突触，而对照组HEK293细胞周围突触分布零散[5]。2004年，Ethan R. Graf在传代培养的HEK293细胞中过表达Nrx，加入到原代培养的神经细胞共培养，发现过表达Nrx蛋白的HEK293细胞周围也聚集了大量的神经元[6]。从此发现了参与突触形成最重要的粘联蛋白家族Nrxs 和 NLs，而不是最起始的粘联蛋白[7]。

突触形成是一个动态过程，表现为突触前最起始的粘联蛋白与突触后的跨膜蛋白先相互识别，通过相互作用将突触前与突触后联接起来，介导突触形成开始，突触前后建立初步联系后，招募更多的粘联蛋白如Nrxs 和 NLs聚集到突触前后膜上，蛋白通过同源或异源相互作用牢牢结合，类似桥梁一样将突触前和突触后紧密连接，突触形成稳定。

2000年至今，科学家相继发现了一些新的参与突触形成的跨膜蛋白.2002年，Thomas C. Südhof实验室报道突触细胞粘附分子(SynCAM)介导突触形成[8]。2009年Ann Marie Craig实验室通过全基因组范围内大规模筛选，鉴定富含亮氨酸的跨膜蛋白(LRRTM)参与突触形成[4]，随后Thomas C. Südhof实验室在报道的LRRTM基础上，发现了LRRTM的配体为突触前的Nrx蛋白[9]。

自1992年发现第一个参与突触形成的蛋白Nrx至2016年，已报道22种蛋白家族参与突触形成，包含Contactin, NCAM, Nectin, SALM等家族蛋白，其中NL2蛋白强度最强，但与全基因组2～3万个基因相比，被发现的突触形成蛋白仅占约1 ‰。

2006年，Thomas C. Südhof 和 Nils Brose 实验室构建NL1-3基因敲除小鼠，体内和体外实验表明NL1-3基因敲除并没有抑制神经元突触的形成和突触结构的变化[7]。2009年LRRTM基因敲出小鼠的体内和体外实验结果也是没有抑制突触的形成和结构的变化[9]。推测不同粘联蛋白之间可能起到了补偿作用，是否还存在突触形成的核心蛋白，这一突触形成的奥秘至今没有被完全解开。

2参与突触形成蛋白

2.1Nrx

目前报道参与突触形成的蛋白有22种左右，但是许多蛋白的功能未完全清楚。哺乳动物神经元中含有3个Nrx基因(Nrx1～3)，每个基因都编码α-Nrx和β-Nrx两种蛋白[10]。1995年Südhof实验室发现Nrx与突触后的NL蛋白识别且相互作用结合在一起[4]。2004年，科学家首次将Nrx蛋白在非神经元细胞中过表达与神经元共培养，鉴定Nrx基因参与突触形成[7]。2009年，KO发现Nrx还可以与突触后的LRRTM2蛋白相互作用结合[11]。2010年，发现Nrx可以与突触后的GABA 受体相互作用结合[12]。同时，Nrx也与突触前钙调蛋白活化的色氨酸-苏氨酸激酶(CASK)结合[13]。

2.2NLs

1995年Thomas C. Südhof利用Nrx为诱饵，发现了定位于突触后的NL基因[4]，目前发现，鼠类神经元有4种NL基因(NL1～4)，人类神经元有5个NL基因[14，15]。2000年，过表达NL蛋白的非神经元细胞与体外培养的神经元细胞共培养，首次确定NL蛋白家族参与突触形成[5]。1997年，发现NL与突触后的PSD95蛋白相互作用[16]。体外培养的神经元过表达NL2蛋白，可以增加单位长度树突上抑制性突触的数量.神经元过表达NL1蛋白增加单位长度树突上兴奋性突触的数量[17，18]。

2.3LRRTMs

2009年加拿大Ann Marie Craig实验室，提取11 d大鼠前脑的mRNA ,然后克隆表达基因，通过神经元与非神经元细胞共培养筛选系统，以250个基因混在一起为一个pool，通过规模筛选，鉴定出LRRTM家族蛋白参与兴奋性突触形成[9]。LRRTMs家族是一类富含亮氨酸的跨膜蛋白，目前鉴定出4个不同LRRTM基因(LRRTM 1～4)，基因均位于兴奋性突触后膜上，在成熟的脑和发育阶段高表达[19]。2009年，Thomas C. Südhof实验室Jaewon Ko 通过LRRTM2与脑匀浆的免疫共沉淀实验和质谱分析，发现LRRTM与突触前的“明星分子”Nrx蛋白相互作用，体外培养的神经元过表达LRRTM家族蛋白，增加了单位树突上兴奋性突触的数量[11]。

2.4SynCAM

突触细胞粘附分子(SynCAM)是一类含有3个胞外Ig结构，1个跨膜和1个胞内结构的家族蛋白[20]，目前已鉴定出4个成员基因为SynCAMs 1～4，成员蛋白在脑组织中高表达[21]。2002年Thomas C. Südhof实验室Biederer等利用非神经元细胞与神经元共培养方法发现synCAM蛋白参与突触形成，且synCAM同时存在于突触前后膜，神经元过表达SynCAM，增加了单位树突上兴奋性突触的数量。SynCAM蛋白之间除通过同源和异源相互作用外，还可以通过C端氨基酸与CASK蛋白相互作用[8]。神经元中SynCAM1蛋白表达下降，减少了兴奋性突触的数量[22]。SynCAM 1蛋白不仅介导突触形成，还影响突触可塑性和学习[23]。

3突触形成异常相关疾病

3.1自闭症

研究表明，突触形成异常与自闭症相关。1946年，Kanner医生发现一类儿童，他们具有一些独特的行为特征：常常自己玩耍，不喜欢与外界交流，重复地做同样的一些事情，通常有语言障碍，只能说一些简单的词语或不能正常表达自己的想法。自闭症的症状可以归为3个重要方面：沟通交流缺陷，行为重复刻板及语言发育缺陷。对意外死亡的自闭症病人的解剖研究未发现自闭症病患者的脑任何病变[24]。

2003年，法国科学家在《自然-遗传学》的研究论文中通过对多个患有自闭症的家系进行基因测序分析，意外地发现其位于X染色体上的NL3与NL4基因在自闭症病人中均发生了突变[25]。2003年，Thomas C. Südhof实验室构建NL3突变的转基因小鼠和NL3的基因敲除小鼠，发现NL3单氨基酸突变的转基因小鼠有自闭症，而NL3的基因敲除小鼠没有表现出自闭症。同年，NL3蛋白的R451C突变，损害NL3转运到膜上，导致突触后膜上低表达NL3，影响NL3与突触前的Nrx1结合，突触形成异常，从而R451C转基因小鼠表现出自闭症症状[26]。

2009年Thomas C. Südhof实验室Chen Zhang通过对医院自闭症儿童分析，发现NL4基因的第87位精氨酸突变为色氨酸，体外研究发现突变后的NL4蛋白不能正常转运到膜上，大量聚集在内质网中，可能是导致自闭症的原因[27]。

3.2阿尔茨海默病

突触的不正常形成与发育与老年痴呆症相关。阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)也叫老年痴呆症，1906年由科学家Alois Alzheimer发现，是一种伴有认知，行为和功能失常的进行性的神经变性疾病，是老年痴呆的最常见的一种形式，表现为β-淀粉样蛋白斑、淀粉样血管病和神经纤维缠结，年龄越大，得病风险越高。目前全球约有数千万人患有阿尔茨海默病。仅美国就有450万人阿尔茨海默病患者，65岁以上发病率为10 %，85岁以上发病率近50 %。我国阿尔茨海默病患病人数目超过500万人，约占全球所有患病人数的1/4[28]。

目前，阿尔茨海默病的发病机理尚未完全弄清楚。其一假说是，AD病人中突触的损坏与突触上蛋白的成分改变相关，突触形成蛋白AD密切相关。2014年，Nrxs和NLs被报道在β-淀粉样蛋白斑的新陈代谢中起到了重要的作用，表明Nrxs和NLs蛋白与AD相关[29]。Nrx蛋白C末端的积累，对presenilin/γ分泌酶复合物具有抑制作用[30]。β-catenin蛋白结构的改变与记忆形成相关，表明β-catenin蛋白在记忆损害中起到了作用[31]。N-cadherin蛋白可以增强APP蛋白的二聚化，N-cadherin蛋白的C端结构可以加快Aβ生成导致突触损害[32，33]。

4展望

经过一个多世纪的研究，科学家相继发现了一些参与于突触形成和成熟的基因，加深了人们对突触的认识。相对神经元基因组来说，已知的参与突触形成的基因数量少，而且基因的突变或敲除均不能抑制突触的形成或改变突触的结构。说明不同基因之间可能存在补偿作用，或存在着核心基因。突触形成的关键基因是目前研究突触形成的一大挑战。

神经元与非神经元细胞共培养方法，构建人基因组库，全基因范围内大规模的筛选是未来突触形成研究的方向[34]。比如通过在HEK细胞中过表达筛选基因，再与神经元共培养来筛选新的参与突触形成的关键基因。

一个世纪来，科学家发现的都是蛋白参与突触形成，化学物质是否参与了突触形成，目前还不知道。大规模筛选寻找参与突触形成的小分子化学物，也是未来突触形成研究的方向之一，这些新的发现会加深对突触形成的认识和理解。

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The Mechanism of Synapse Formation and Related Disease

Jiang Wei1,2, Pan Yunlong2, Gong Jihong1, Chen Su1, Yang Xiaofei1,

(1KeyLaboratoryofCognitiveScience,HubeiKeyLaboratoryofMedicalInformationAnalysisandTumorDiagnosis&Treatment,LaboratoryofMembraneIonChannelsandMedicine,CollegeofBiomedicalEngineering,CollegeofLifeScience,South-CentralUniversityforNationalities,Wuhan430074,China

2StateKeyLaboratoryofMembraneBiologyandMembraneBiologicalEngineering,SchoolofLifeSciences;PKU-IDG/McGovernInstituteforBrainResearch,PekingUniversity,Beijing100871,China)

Abstract:The brain is characterized by an enormous degree of complexity and diversity of neural networks, which makes it one of the most complicated organs, and plays essential roles in regulating body and mind, maintaining thinking and others important physiology actions. Chemical synapses are the basal unite of neural networks, cell adhesion molecules (CAMs) instruct synapse formation through intercellular protein-protein interactions, form stable synaptic connections and regulate synaptic function by recruiting synaptic components and cytoskeleton proteins. Alterations in synapse formation and maturation led to neuropsychiatric disorders including autism and Alzheimer’s disease (AD). This review summarized the history, varieties of CAMs and related diseases in synapse formation, and also prospected the development and challenge in the future.

Key words:synapse formation; cell adhesion molecules; neuropsychiatric disorders

收稿日期：2016-05-12

基金项目：湖北省自然科学基金(编号：2014CFA027, 2014CFB455)；校科学基金引进人才科研启动基金自科资助(编号：ZZ13002)

作者简介：蒋伟(1991—)，男，中南民族大学生物医学工程学院硕士研究生。 通讯作者：阳小飞(1979—)，男，教授，博士，主要从事突触形成与囊泡释放方向教学与科研工作。

中图分类号：R392.9

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2016)10-0232-04