在神經(jīng)系統(tǒng)中，大多數(shù)神經(jīng)元都擁有初級(jí)纖毛結(jié)構(gòu)，其在高效傳遞細(xì)胞外刺激中扮演了關(guān)鍵角色。研究發(fā)現(xiàn)，初級(jí)纖毛功能的異常與神經(jīng)元連接的紊亂以及神經(jīng)系統(tǒng)興奮與抑制的平衡失調(diào)密切相關(guān)。最新研究進(jìn)一步揭示了纖毛離子通道在海馬體調(diào)節(jié)興奮性中的作用，同時(shí)闡明了神經(jīng)元初級(jí)纖毛在大腦電信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中的重要功能。然而，初級(jí)纖毛如何具體調(diào)控神經(jīng)元興奮性的機(jī)制仍有待深入研究。探討初級(jí)纖毛信號(hào)與突觸連接及神經(jīng)元興奮性之間的復(fù)雜關(guān)系，為神經(jīng)科學(xué)研究提供了重要方向。

2025年1月13日，北京大學(xué)教授張研課題組在Advanced Science上發(fā)表了題為“The Primary Cilia are Associated with the Axon Initial Segment in Neurons”的研究論文。該研究揭示，初級(jí)纖毛與軸突起始節(jié)（axon initial segment, AIS）這兩個(gè)神經(jīng)元中的關(guān)鍵亞細(xì)胞區(qū)室，盡管在空間上相距較遠(yuǎn)，卻存在相互作用關(guān)系。研究進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了初級(jí)纖毛在神經(jīng)系統(tǒng)中的重要地位，并為其對(duì)神經(jīng)元電活動(dòng)的影響提供了新的可能解釋。

論文截圖

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)敲除纖毛特異性蛋白生長(zhǎng)抑素3型受體（somatostatin receptor 3，SSTR3）評(píng)估了其對(duì)神經(jīng)元初級(jí)纖毛的影響。結(jié)果表明，SSTR3的表達(dá)水平直接影響初級(jí)纖毛的長(zhǎng)度：過(guò)表達(dá)SSTR3會(huì)顯著促進(jìn)纖毛延長(zhǎng)，而敲除SSTR3則導(dǎo)致纖毛縮短（圖1. A—D）。此外，研究利用特異性靶向初級(jí)纖毛的熒光鈣指示劑探針進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，SSTR3敲除會(huì)顯著降低纖毛內(nèi)的鈣信號(hào)傳導(dǎo)幅度，并延長(zhǎng)信號(hào)達(dá)到峰值的時(shí)間，這表明纖毛信號(hào)傳導(dǎo)功能受到了干擾（圖1. E—H）。

圖1. 纖毛蛋白SSTR3調(diào)節(jié)初級(jí)纖毛長(zhǎng)度和纖毛內(nèi)鈣信號(hào)。A. 初級(jí)纖毛蛋白SSTR3過(guò)表達(dá)免疫染色圖，比例尺，10μm。B. SSTR3過(guò)表達(dá)造成初級(jí)纖毛長(zhǎng)度增加。C. 初級(jí)纖毛蛋白SSTR3敲低后免疫染色圖，比例尺，10μm。D. SSTR3敲低造成初級(jí)纖毛長(zhǎng)度縮短。E. SSTR3^-/-小鼠海馬神經(jīng)元初級(jí)纖毛內(nèi)鈣信號(hào)傳導(dǎo)存在缺陷。比例尺，2μm。F. 在ATP處理前后，SSTR3^+/+和SSTR3^-/-神經(jīng)元纖毛GECO1.0熒光與mCherry熒光比值變化圖。G. ATP處理后，S SSTR3^+/+和SSTR3^-/-小鼠初級(jí)纖毛鈣信號(hào)到達(dá)峰值到達(dá)時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖。H. ATP處理后，SSTR3^+/+和SSTR3^-/-小鼠初級(jí)纖毛鈣信號(hào)峰值強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)圖

初級(jí)纖毛與認(rèn)知功能緊密相關(guān)，研究表明，缺乏纖毛相關(guān)蛋白的轉(zhuǎn)基因小鼠通常表現(xiàn)出學(xué)習(xí)和記憶障礙。研究團(tuán)隊(duì)采用Y迷宮測(cè)試工作記憶，并使用莫里斯水迷宮評(píng)估空間記憶。結(jié)果顯示，SSTR3敲除小鼠在與空間線索相關(guān)的記憶任務(wù)中，表現(xiàn)出顯著的學(xué)習(xí)能力下降。這一現(xiàn)象與電生理分析結(jié)果相一致，SSTR3敲除小鼠的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（long-term potentiation，LTP）幅度明顯降低，微小興奮性后電流（miniature excitatory post-synaptic current，mEPSC）的振幅和頻率亦明顯低于對(duì)照組。此外，樹突棘密度評(píng)估發(fā)現(xiàn)，SSTR3敲除導(dǎo)致成熟樹突棘比例顯著下降，進(jìn)一步證明初級(jí)纖毛在學(xué)習(xí)和記憶過(guò)程中的重要作用。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步評(píng)估了SSTR3敲除對(duì)神經(jīng)元興奮性的影響。電生理記錄結(jié)果表明，海馬神經(jīng)元的興奮性顯著下降。AIS是動(dòng)作電位發(fā)放的關(guān)鍵區(qū)域，研究發(fā)現(xiàn)，初級(jí)纖毛信號(hào)的擾動(dòng)導(dǎo)致AIS中關(guān)鍵蛋白AnkyrinG（AnkG）長(zhǎng)度縮短，周期性結(jié)構(gòu)被破壞，喪失了AIS的可塑性，進(jìn)而影響了神經(jīng)元的電信號(hào)傳導(dǎo)（圖2）。

為了揭示其分子機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)基因測(cè)序發(fā)現(xiàn)PI3K-Akt信號(hào)通路可能在AIS變化中起重要作用。免疫印跡實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明，SSTR3敲除導(dǎo)致磷酸化Akt水平下降，并抑制了其下游轉(zhuǎn)錄因子環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白（CREB）的活性。通過(guò)雙熒光素報(bào)告基因?qū)嶒?yàn)和染色質(zhì)免疫共沉淀，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)CREB作為AnkG的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，通過(guò)調(diào)節(jié)AnkG啟動(dòng)子活性影響其表達(dá)（圖3）。

圖2. 纖毛蛋白的異常表達(dá)影響了AIS的長(zhǎng)度。左上方為初級(jí)纖毛結(jié)構(gòu)及纖毛相關(guān)蛋白在纖毛上定位示意圖，下方為相應(yīng)纖毛蛋白異常表達(dá)對(duì)AIS長(zhǎng)度調(diào)控示意圖

圖3. 纖毛信號(hào)調(diào)控AnkG蛋白表達(dá)，從而調(diào)控神經(jīng)元興奮性

這項(xiàng)研究為初級(jí)纖毛在調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性及認(rèn)知功能中的作用提供了新的見解，拓寬了對(duì)神經(jīng)元信息處理與動(dòng)作電位發(fā)放的理解，揭示了SSTR3對(duì)學(xué)習(xí)記憶過(guò)程的可能調(diào)控機(jī)制，為初級(jí)纖毛影響神經(jīng)元電活動(dòng)提供了可能的解釋。

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生汪瀚、李雨以及北京生命科技研究院李鑫博士為本文的共同第一作者。張研為該論文的通訊作者。本研究得到了科技創(chuàng)新2030“腦科學(xué)與類腦研究”重大專項(xiàng)、北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目、北京生命科學(xué)研究院（BLSA）基金、啟東-SLS創(chuàng)新基金和逸夫生命科學(xué)基金的資助，以及北京大學(xué)國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心的支持。

來(lái)源：北京大學(xué)官網(wǎng)