C型突触终扣与运动神经元病
2018-03-17宋彬彬王清宋秋萍段立疆武香梅杨璇于佳
宋彬彬,王清,宋秋萍,段立疆,武香梅,杨璇,于佳
运动神经元病(motor neuron disease,MND)是一种由上、下运动神经元损伤变性而导致的进行性神经变性疾病,其选择性侵犯脊髓前角细胞、脑干运动神经元及锥体束,使运动系统受累。脊髓中的运动调控神经环路由运动神经元和中间神经元组成,通过精细复杂的突触连接支配骨骼肌收缩和随意运动。1969年Conradi从形态上定义了一种位于脊髓前角的可支配运动神经元的特殊胆碱能C型突触终扣[1],也称C-bouton。C-bouton结构复杂,突触前后分布有多种蛋白受体、离子通道及特殊结构,可精确调控α-运动神经元的兴奋性,影响肌肉活动而与运动神经元病紧密相关。本文就C-bouton的结构(图1)、功能及其与运动神经元病的关系进行综述。
1 C-bouton结构和组成
研究者根据解剖结构将支配运动神经元的突触分为5种类型,分别为C、F、M、S和T型[2]。其中C型突触终扣即C-bouton,主要分布在α-运动神经元(尤其是支配快肌纤维的运动神经元)的细胞体和树突近端,可被乙酰胆碱转移酶(choline acetyl transferase,ChAT)、乙酰胆碱酯酶(acetyl cholinesterase,AChE)和囊泡乙酰胆碱转运体(vesicular acetylcholine transporter,VAChT)抗体特异性标记[3],属于胆碱能突触。研究发现C-bouton来源于脊髓中央管附近的特异性表达转录因子Pitx2的V0(Dbx1+)中间神经元,单个V0中间神经元可产生大量C-bouton,支配一个或多个α-运动神经元——这种多对一或多对多的突触连接模式使突触前轴突对于α-运动神经元有更多的递质释放位点,保证胆碱能神经调节的安全性和可靠性[4]。C-bouton体积较大,人和啮齿动物中C-bouton的直径分别为3~6 μm和1~8 μm。突触前区域具有密集明亮的球形突触囊泡和大量线粒体;突触后高度特化,突触后膜下方5~8 nm处具有标志性的内质网衍生结构(subsynaptic cisterns,SSC)。其是与整个突触前结构相对的10~15 nm厚的盘状结构,呈“C”型,故称为C-bouton。SSC下方存在粗面内质网,游离的核糖体也分布于突触后区域[2]。
C-bouton的突触前后区域具有不同的标志性蛋白[3](图1):①ATP门控离子通道P2X7受体和烟碱乙酰胆碱受体(nicotinic a cetylcholine receptor,nAChR)分布于突触前膜;②蕈碱样乙酰胆碱受体2(muscarinic acetylcholine receptor 2,m2 receptor)、小电导钙激活钾离子通道(small-conductance calcium-activated potassium channel,SK channel)、电压门控钾离子通道Kv2.1和电压门控钙离子通道位于突触后膜,SK通道蛋白和m2受体分别聚集成簇,并与突触前囊泡释放位点紧密对应,Kv2.1填充在突触后膜未被m2受体和SK通道蛋白占据的位置;③SSC上具有大量受体型分子伴侣Sigma-1受体蛋白(Sig-1R)和神经调节素1(neuregulin 1,NRG1)等。
2 C-bouton功能和调控
C-bouton的主要功能是调节运动神经元的电活动,从而影响肌肉收缩力的大小和持续时间。研究发现,使用m2受体拮抗剂抑制小鼠脊髓切片中C-bouton的乙酰胆碱能神经传导,会降低运动神经元输出;使用胆碱酯酶抑制剂增强C-bouton的乙酰胆碱能神经传导,会升高运动神经元的输出[5]。另外,C-bouton以高度任务依赖方式调节运动神经元放电来适应不同运动强度的需要,如低强度运动时(走路)运动神经元低输出、高强度运动(游泳)时运动神经元高输出。Zagoraiou等[6]发现,敲除乙酰胆碱合成酶抑制V0中间神经元的C-bouton输出,导致实验组小鼠游泳时相对于走路时的肌电活动增加程度显著低于对照组小鼠。C-bouton突触前后的多种蛋白参与调控α-运动神经元产生的后超极化电位(after hyperpolarizing potential,AHP)和放电率,并且形成内部安全机制以避免运动神经元兴奋性毒性损伤的发生。
2.1 突触前的nAChR和P2X7受体
nAChR和P2X7受体分别与释放到突触间隙的乙酰胆碱(acetylcholine,ACh)和三磷酸腺苷(ade-nosine triphosphate,ATP)结合后介导大量钙离子内流,引起囊泡和突触前膜活性区域的融合和胞吐,从而进一步增强C-bouton的ACh释放[7]。
2.2 突触后膜的m2受体、SK通道和Kv通道
m2受体是G蛋白偶联受体,特异性与ACh结合发生激活后通过调节SK和Kv2.1等离子通道蛋白的活性,降低动作电位的后超极化而增加运动神经元的兴奋性[5]。
SK通道对钙离子高度敏感,可快速将细胞内钙离子浓度的改变转化为细胞膜电位的变化,SK通道被激活后,对钾离子通透性增加,使钾离子外流,可在产生动作电位之后引起AHP,调节运动神经元的放电率。C-bouton中SK通道蛋白主要有SK2和SK3两种亚型,所有啮齿动物的α-运动神经元都表达SK2,而SK3仅表达在体积较小的α-运动神经元中,这类α-运动神经元产生的AHP半衰期较长,幅度较大,轴突传导速度明显减慢,主要支配慢肌纤维。SK3阴性、SK2阳性的α-运动神经元往往体积较大,且主要支配快肌纤维[8]。m2受体激活,抑制N型钙离子通道介导的钙内流,下调SK通道的活性,从而降低AHP,增强神经元兴奋性[2]。另外,m2受体激活可能直接引起蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)和CK2(casein kinase 2)对SK的磷酸化,减弱其对钙离子的敏感性而抑制其活性,调节运动神经元的兴奋性[2,9,10]。
Kv2.1通道介导的钾离子流具有延迟整流特性,被激活后会降低神经元兴奋性。Kv2.1通道可在C-bouton突触后膜上聚集成簇,高密度的Kv2.1通道蛋白是低或者非导电的。Kv2.1通道蛋白N端和C端存在多个磷酸化位点,磷酸化水平调控Kv2.1的激活和聚集状态[11]。不同强度运动过程中,Kv2.1磷酸化水平和聚集程度发生变化,从而影响运动神经元的兴奋性和放电率。m2受体活化可抑制高电压激活钙离子电流而阻止钙离子/钙调磷酸酶(calcineurin)依赖的去磷酸化通路,上调Kv2.1磷酸化水平和聚集程度,降低其介导的电流幅度从而增加运动神经元兴奋性[2,12]。
2.3 SSC上的Sig-1R和NRG1
Sig-1R在神经系统中高表达,其N端的内质网停泊信号介导其在内质网和SSC上的定位,调节钙离子通道、钾等离子通道、肌醇三磷酸(IP3)受体和NMDA受体等,参与调控内质网、线粒体功能及神经递质释放等。SSC衍生于内质网,作为运动神经元内的钙离子储备池,在钙离子的稳态和动员的调控中发挥重要作用:SSC可从空间和功能上制约游离钙离子的扩散;神经元活性增高时,SSC从细胞质中吸收和清除过多的游离钙离子;SSC上的Sig-1R和钙释放通道Ryanodine受体(RyR受体)调控钙离子向细胞质的释放,上调细胞质局部游离钙离子浓度[2,13]。Sig-1R不仅对钙离子的可用性有潜在调节作用,还可调节m2受体对Ach的敏感性及Kv通道在细胞内和细胞膜上的分布,进而影响运动神经元的兴奋性[14,15]。
NRG1是神经营养因子,调节细胞间信号传导、轴突运输、突触功能、神经递质受体表达、神经胶质细胞的增殖和活化等,对于神经系统的发育和成熟以及神经炎症具有重要作用[16]。NRG1位于突触后区域,而C-bouton突触前膜上存在NRG1受体ErbB2/4,提示NRG1可能是C-bouton中的逆行信号调节分子[17]。
3 C-bouton与运动神经元病
3.1 运动神经元病中C-bouton的病理改变和功能障碍
肌萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)是运动神经元病中最常见的类型,患者皮质、脑干和脊髓的运动神经元发生变性死亡,支配运动神经元的中间神经元也会发生病理改变。目前,对于ALS中C-bouton的数量和体积变化的确切结论仍存在争议,可能与研究对象实验设计、分析方法和疾病病程不一致等有关[18]。早期研究发现散发性ALS患者脊髓运动神经元的胆碱能输入突触C-bouton数量减少[19]。而SOD1G93A ALS小鼠模型中发现C-bouton数量增加[20]、不变[21]和减少[22]的现象。最近Milan等[23]发现C-bouton数量的改变与病程紧密相关:疾病早期C-bouton数量不变,随后增加,晚期减少,这种变化可能与机体维持细胞内稳态的自我补偿机制有关。多数研究认为SOD1G93A ALS小鼠模型中C-bouton体积变大[2,3,23]。Herron等[21]指出C-bouton体积变大出现在SOD1G93AALS小鼠模型的发育早期(8~30 d),早于运动症状出现(90~100 d),雄性中变化更加明显。由于ALS中去神经支配增加,C-bouton体积变大可能是补偿乙酰胆碱能神经输出的一种神经保护机制[24],这种改变也带来潜在的风险——会使运动神经元兴奋性增强,随着时间推移又可能会产生兴奋毒性而导致运动神经元损伤和变性。笔者在前期工作中发现,过表达VAPBP56S的ALS转基因小鼠模型与过表达VAPBWT的转基因小鼠及非转基因小鼠模型相比,C-bouton的体积不变但最大直径变长,C-bouton的长效放电显著减弱[25]。另外,脊髓性肌萎缩(spinal muscular atrophy,SMA)是一类因脊髓前角运动神经元变性导致的肌无力、肌萎缩的运动神经元病。Ling等[26]发现SMA(SMNΔ7)小鼠出生后12~14 d脊髓L3~L5节段中运动神经元对应的C-bouton数量和密度减少及活化的小胶质细胞增生,活化的小胶质细胞可促进突触剥离(synaptic stripping)使C-bouton损伤,突触输出减少。
3.2 运动神经元病中C-bouton标志性蛋白的改变
在ALS患者中发现Sig-1RE102Q突变,突变位点位于蛋白跨膜保守区域,过表达Sig-1RE102Q的运动神经元样细胞系NSC34会上调内质网应激诱导细胞凋亡[27]。ALS患者α-运动神经元中Sig-1R重新分布且表达水平降低[28]。Sig-1R敲除小鼠表现出运动功能障碍、肌力下降和轴突变性[29]。且Sig-1R表达下降使m2受体激活,抑制SK和Kv2.1通道,运动神经元兴奋性增强[30],可能产生兴奋毒性。敲减原代运动神经元和NSC34细胞中的Sig-1R导致细胞内钙信号紊乱、内质网应激增强、线粒体活性和轴突运输受损[28,31]。在携带VAPB P56S突变的ALS患者的成纤维细胞中Sig-1R形成积聚,且与VAPB、20S蛋白酶体和泛素共定位;Sig-1R激动剂具有一定的神经保护作用,并可显著降低VAPBP56S的蛋白沉积[28]。
在ALS患者中还发现了ErbB4的p.R927Q和p.R1275W突变,提出NRG1-ErbB4信号通路异常参与疾病发生[32]。Song等[33]发现SOD1G93AALS小鼠模型在发病早期即表现出NRG1-I水平增加和小胶质细胞活化,提出NRG1是神经损伤后脊髓中小胶质细胞活化的重要信号。Casanovas等[34]认为NRG1是小胶质细胞的趋化因子,神经损伤后NRG1-ErbB特异性激活小胶质细胞,引起神经损伤早期的炎症反应。而且Lobsiger 等[35]研究发现,参与免疫应答和炎症的补体免疫系统中关键组分C1q与ALS中C-bouton损伤有关。在SOD1G37R/C1q-/-小鼠模型中胶质细胞活性未增加,小鼠的疾病起始期、发生期和生存期没有明显差异,C1q介导的补体系统异常不能增加SOD1G37R小鼠神经毒性。但在疾病末期SOD1G37R/C1q-/-比SOD1G37R小鼠C-bouton损伤更明显,这提示胶质细胞的活化引起的神经炎症对于ALS发生发展有重要调控作用[36],但C-bouton损伤程度与ALS进程关系复杂,需要深入研究。
4 总结和展望
来源于脊髓V0中间神经元的轴突投射到α-运动神经元的细胞体和树突近端形成乙酰胆碱能C-bouton,控制运动神经元的兴奋性。C-bouton的结构及功能受到nAChR、P2X7受体、m2受体、SK和Kv2.1离子通道、Sig-1R和NRG1等多种突触前后蛋白的调控,并在运动神经元病中发生显著的病理改变和功能异常,导致运动神经元电活动受损,影响肌肉收缩特性。C-bouton中Sig-1R和NRG1等蛋白是参与ALS发生发展的重要因子。随着形态学、电生理和生化学等技术的发展,C-bouton运动依赖性调节运动神经元兴奋性的具体机制、C-bouton中标志性结构SSC的具体功能以及C-bouton在运动神经元病发病过程中的具体作用将得到更加深入的了解。
[1]Conradi S.Ultrastructure and distribution of neuronal and glial elements on the motoneuron surface in the lumbosacral spinal cord of the adult cat[J].Acta Physiol Scand Suppl,1969,332:49-64.
[2]Deardorff AS,Romer SH,Sonner PM,et al.Swimming against the tide:investigations of the C-bouton synapse[J].Front Neural Circuits,2014,8:106.
[3]Witts EC,Zagoraiou L,Miles GB.Anatomy and function of cholinergic C bouton inputs to motor neurons[J].JAnat,2014,224:52-60.
[4]Frank E.A new class of spinal interneurons:the origin and function of C boutons is solved[J].Neuron,2009,64:593-595.
[5]Miles GB,Hartley R,Todd AJ,et al.Spinal cholinergic interneurons regulate the excitability of motoneurons during locomotion[J].Proc Natl Acad Sci U SA,2007,104:2448-2453.
[6]Zagoraiou L,Akay T,Martin JF,et al.A cluster of cholinergic premotor interneurons modulates mouse locomotor activity[J].Neuron,2009,64:645-662.
[7]Darabid H,Perez-Gonzalez AP,Robitaille R.Neuromuscular synaptogenesis:coordinating partners with multiple functions[J].Nat Rev Neurosci,2014,15:703-718.
[8]Deardorff AS,Romer SH,Deng Z,et al.Expression of postsynaptic Ca2+-activated K+(SK)channels at C-bouton synapses in mammalian lumbar-motoneurons[J].J Physiol,2013,591:875-897.
[9]Buchanan KA,Petrovic MM,Chamberlain SE,et al.Facilitation of long-term potentiation by muscarinic M(1)receptors is mediated by inhibition of SK channels[J].Neuron,2010,68:948-963.
[10]Giessel AJ,Sabatini BL.M1 muscarinic receptors boost synaptic potentials and calcium influx in dendritic spines by inhibiting postsynaptic SK channels[J].Neuron,2010,68:936-947.
[11]Mohapatra DP,Park KS,Trimmer JS.Dynamic regulation of the voltage-gated Kv2.1 potassium channel by multisite phosphorylation[J].Biochem Soc Trans,2007,35:1064-1068.
[12]Misonou H,Mohapatra DP,Park EW,et al.Regulation of ion channel localization and phosphorylation by neuronal activity[J].Nat Neurosci,2004,7:711-718.
[13]Fuchs PA,Lehar M,Hiel H.Ultrastructure of cisternal synapses on outer hair cells of the mouse cochlea[J].J Comp Neurol,2014,522:717-729.
[14]Kim FJ,Kovalyshyn I,Burgman M,et al.Sigma 1 receptor modulation of G-protein-coupled receptor signaling:potentiation of opioid transduction independent from receptor binding[J].Mol Pharmacol,2010,77:695-703.
[15]Kourrich S,Hayashi T,Chuang JY,et al.Dynamic interaction between sigma-1 receptor and Kv1.2 shapes neuronal and behavioral responses to cocaine[J].Cell,2013,152:236-247.
[16]Calvo M,Zhu N,Tsantoulas C,et al.Neuregulin-ErbB signaling promotes microglial proliferation and chemotaxis contributing to microgliosis and pain after peripheral nerve injury[J].J Neurosci,2010,30:5437-5450.
[17]Gallart-Palau X,Tarabal O,Casanovas A,et al.Neuregulin-1 is concentrated in the postsynaptic subsurface cistern of C-bouton inputs to alpha-motoneurons and altered during motoneuron diseases[J].FASEB J,2014,28:3618-3632.
[18]Dukkipati SS,Chihi A,Wang Y,et al.Experimental Design and Data Analysis Issues Contribute to Inconsistent Results of C-Bouton Changes in Amyotrophic Lateral Sclerosis[J].eNeuro,2017,4:doi:10.1523/ENEURO.0281-16.2016.
[19]Nagao M,Misawa H,Kato S,et al.Loss of cholinergic synapses on the spinal motor neurons of amyotrophic lateral sclerosis[J].J Neuropathol Exp Neurol,1998,57:329-333.
[20]Pullen AH,Athanasiou D.Increase in presynaptic territory of C-terminals on lumbar motoneurons of G93A SOD1 mice during disease progression[J].Eur J Neurosci,2009,29:551-561.
[21]Herron LR,Miles GB.Gender-specific perturbations in modulatory inputs to motoneurons in a mouse model of amyotrophic lateral sclerosis[J].Neuroscience,2012,226:313-323.
[22]Casas C,Herrando-Grabulosa M,Manzano R,et al.Early presymptomatic cholinergic dysfunction in a murine model of amyotrophic lateral sclerosis[J].Brain Behav,2013,3:145-158.
[23]Milan L,Courtand G,Cardoit L,et al.Age-Related Changes in Preand Postsynaptic Partners of the Cholinergic C-Boutons in Wild-Type and SOD1G93ALumbar Motoneurons[J].PLoS One,2015,10:e0135525.
[24]Saxena S,Roselli F,Singh K,et al.Neuroprotection through excitability and mTOR required in ALS motoneurons to delay disease and extend survival[J].Neuron,2013,80:80-96.
[25]Aliaga L,Lai C,Yu J,et al.Amyotrophic lateral sclerosis-related VAPB P56S mutation differentially affects the function and survival of corticospinal and spinal motor neurons[J].Hum Mol Genet,2013,22:4293-4305.
[26]Ling KK,Lin MY,Zingg B,et al.Synaptic defects in the spinal and neuromuscular circuitry in a mouse model of spinal muscular atrophy[J].PLoS One,2010,5:e15457.
[27]Al-Saif A,Al-Mohanna F,Bohlega S.A mutation in sigma-1 receptor causes juvenile amyotrophic lateral sclerosis[J].Ann Neurol,2011,70:913-919.
[28]Prause J,Goswami A,Katona I,et al.Altered localization,abnormal modification and loss of function of Sigma receptor-1 in amyotrophic lateral sclerosis[J].Hum Mol Genet,2013,22:1581-1600.
[29]Mavlyutov TA,Epstein ML,Verbny YI,et al.Lack of sigma-1 receptor exacerbates ALS progression in mice[J].Neuroscience,2013,240:129-134.
[30]Mavlyutov TA,Guo LW,Epstein ML,et al.Role of the Sigma-1 receptor in Amyotrophic Lateral Sclerosis(ALS)[J].J Pharmacol Sci,2015,127:10-16.
[31]Bernard-Marissal N,Medard JJ,Azzedine H,et al.Dysfunction in en doplasmic reticulum-mitochondria crosstalk underlies SIGMAR1 loss of function mediated motor neuron degeneration[J].Brain,2015,138:875-890.
[32]Takahashi Y,Fukuda Y,Yoshimura J,et al.ERBB4 mutations that disrupt the neuregulin-ErbB4 pathway cause amyotrophic lateral sclerosis type 19[J].Am J Hum Genet,2013,93:900-905.
[33]Song F,Chiang P,Wang J,et al.Aberrant neuregulin 1 signaling in amyotrophic lateral sclerosis[J].J Neuropathol Exp Neurol,2012,71:104-115.
[34]Casanovas A,Salvany S,Lahoz V,et al.Neuregulin 1-ErbB module in C-bouton synapses on somatic motor neurons:molecular compartmentation and response to peripheral nerve injury[J].Sci Rep,2017,7:40155.
[35]Lobsiger CS,Boillée S,Pozniak C,et al.C1q induction and global complement pathway activation do not contribute to ALS toxicity in mutant SOD1 mice[J].Proc NatlAcad Sci U SA,2013,110:E4385-4392.
[36]Boillée S,Yamanaka K,Lobsiger CS,et al.Onset and progression in inherited ALS determined by motor neurons and microglia[J].Science,2006,312:1389-1392.