《Neuron》：Presynaptic α2δs specify synaptic gain, not synaptogenesis, in the mammalian brain
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這篇研究聚焦于 α2δ 蛋白在哺乳動物大腦突觸中的作用。通過構建三重條件敲除小鼠模型，發現其雖不影響突觸發育和超微結構，但在調控 Munc13-1 水平、CaV2.1 豐度及突觸增益方面意義重大，為相關腦疾病研究提供新思路。
研究背景
突觸（Synapses）作為中樞神經系統（CNS）信息傳遞的基本單元，其發育、傳輸和可塑性由高度復雜的分子機制調控。細胞外分子在突觸形成、發育和傳遞中起關鍵作用，人類相關基因突變與神經系統疾病有關。α2δ 蛋白是電壓門控鈣通道（CaV）的糖基化細胞外輔助亞基，在哺乳動物中有 4 種亞型（α2δ1–4） ，廣泛表達于中樞神經系統，參與多種生理和病理過程。然而，α2δ 在天然神經元回路中的具體調控機制，以及其作用是特異性針對突觸前還是突觸后，仍存在諸多未知。
研究方法
為解決上述問題，研究人員創建了一種 Cacna2d1、Cacna2d2、Cacna2d3（Cacna2d1,2,3）三重條件敲除（CKO）小鼠模型，可在體內特定細胞類型和時間點，選擇性敲除發育中哺乳動物谷氨酸能突觸的 α2δ1、α2δ2 和 α2δ3。運用功能、分子和形態學等多種研究方法，深入探究 α2δ 在突觸中的作用。
研究結果
- 突觸形成和超微結構不受影響：利用 Cacna2d1,2,3 CKO 小鼠模型，研究人員以聽覺通路中的谷氨酸能 Held 氏壺腹 / 斜方體內側核（MNTB）神經元突觸為研究對象。通過對 P1 小鼠的處理和后續分析發現，敲除 α2δ1–3 后，Held 氏壺腹的形態、突觸數量以及突觸前超微結構（如活性區（AZ）長度、突觸小泡（SV）分布等）均未發生顯著變化。這表明在哺乳動物體內，突觸前 α2δ1–3 并非突觸形成、維持突觸數量和決定突觸前超微結構的關鍵因素，與果蠅體內的研究結果不同。
- 影響 CaV2.1 豐度但不影響其聚類： 突觸前 CaV2 的豐度和組織方式對突觸強度和可塑性至關重要。研究發現，敲除 α2δ1–3 后，通過單分子定位研究和 SDS - 消化冷凍斷裂復制品免疫金標記（SDS - FFRIL）技術檢測，發現突觸前 CaV2.1 通道數量顯著減少約 80%，但 CaV2.1 的聚類情況（如聚類中粒子數量、相對分布以及粒子間凝聚力等）并未受到影響。這說明 α2δ 是突觸前 CaV2.1 豐度的重要調節因子，但不參與調控 CaV2.1 的聚類。
- 正向調節 Munc13-1 水平：研究人員對突觸前 AZ 蛋白組織和 CaV2.1 在突觸前 AZ 內的定位進行研究時發現，敲除 α2δ1–3 后，RIM1/2 的水平和聚類未發生變化，而 Munc13-1 的水平降低約 2 倍，且其聚類和未聚類粒子的相關參數也有所改變。不過，CaV2.1 與 Munc13-1 之間的相對距離并未受影響。由此可見，突觸前 α2δ 是 Munc13-1 水平的特異性正向調節因子，對 RIM1/2 水平則無明顯調控作用。
- 調節突觸增益而非 SV 釋放動力學：突觸強度受多種 CaV2 非依賴和依賴機制共同調控。在研究 α2δ 對這些機制的影響時發現，敲除 α2δ1–3 后，AP 誘發的釋放初始突觸強度顯著降低，且短期可塑性發生改變，但 EPSC 波形的上升時間和半高寬等釋放動力學參數未變。此外，自發釋放的 mEPSC 頻率增加，而 mEPSC 幅度和上升時間無明顯變化。這表明 α2δ1–3 主要作為突觸增益的正向調節因子，而非影響 SV 釋放動力學。
研究討論
該研究結果與當前關于 α2δ 功能的認知存在差異。以往研究中觀察到的表型可能是由于軸突生長過程中 α2δ 缺失的補償作用導致，并非 α2δ 在突觸發育和維持中的真實功能。研究數據支持 α2δ 作為 CaV2 在質膜上的正向調節因子的觀點，但不支持其作為耦合正向調節因子的假設。同時，研究表明 α2δ 并非突觸前釋放位點與突觸后受體對齊以及維持 AMPA 受體豐度的關鍵因素。
此外，研究還發現 α2δ 是 Munc13 水平的正向調節因子，敲除 α2δ 會導致 mEPSC 速率增加。目前雖不清楚 Munc13-1 減少導致 mEPSC 速率增加的具體機制，但推測可能與 Munc13-1/RIM 異二聚體的形成有關。未來還需進一步研究 α2δ 調節 Munc13-1 水平的具體機制，以及這種調節是否具有 Munc13-1 特異性。由于 α2δ 具有獨特的結構域，可能通過與其他信號分子相互作用來控制突觸蛋白的豐度，未來研究可聚焦于 α2δ 的亞型特異性機制，以深入了解其在突觸傳遞和神經元回路功能中的作用。
總體而言，該研究通過構建新型小鼠模型，深入探究了 α2δ 在哺乳動物大腦突觸中的作用，明確了其調控角色，為理解突觸生理和相關腦疾病的發病機制提供了新的視角和理論依據，也為后續研究指明了方向。
