《Nature Communications》：Cadherins orchestrate specific patterns of perisomatic inhibition onto distinct pyramidal cell populations
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為解析抑制性中間神經元如何建立細胞類型特異性連接，研究人員以小鼠皮層第 5 層（L5）內投射（IT）和遠腦投射（ET）錐體神經元為模型，發現 Cdh12 和 Cdh13 兩種鈣黏蛋白調控 PV?和 CCK?中間神經元的靶向連接，揭示了皮層抑制性微環路組裝的分子機制，為神經環路發育研究提供新視角。
論文解讀
在哺乳動物大腦皮層中，興奮性錐體神經元與抑制性 GABA 能中間神經元共同構成復雜的神經環路，其精確連接是大腦信息處理的基礎。傳統觀點認為，抑制性中間神經元對錐體神經元的調控是無差別的，但近年來研究發現，中間神經元存在細胞類型特異性的連接模式。然而，這種特異性連接如何建立、分子機制如何，一直是神經科學領域的未解之謎。例如，不同錐體神經元群如何吸引特定類型的中間神經元形成突觸，是否存在分子 “密碼” 指導這一過程，這些問題亟待解答。
英國倫敦國王學院（King’s College London）的研究團隊圍繞皮層第 5 層（L5）錐體神經元的抑制性連接展開研究，相關成果發表在《Nature Communications》。該研究聚焦 L5 內投射神經元（L5 IT）和遠腦投射神經元（L5 ET），這兩類神經元在投射靶點和功能上截然不同，前者主要在皮層內傳遞信息，后者則將信號輸出至皮層外結構。研究旨在揭示它們如何獲得特異性抑制輸入，以及背后的分子調控機制。
關鍵技術方法
研究采用了多種關鍵技術：
- 逆行示蹤與電生理記錄：通過熒光標記物（RB488 和 RB555）逆行標記 L5 IT 和 L5 ET 神經元，結合全細胞電壓鉗記錄，分析兩類神經元的微小抑制性突觸后電流（mIPSC）差異。
- RNA 測序與生物信息學分析：分離 P10 小鼠 L5 IT 和 L5 ET 神經元，利用熒光激活細胞分選（FACS）技術純化細胞，進行批量 RNA 測序（RNA-seq），篩選差異表達基因（DEGs），并結合已知數據集鑒定關鍵分子。
- 病毒介導的基因操作：設計 Cre 依賴的短發夾 RNA（shRNA）病毒載體，在體敲低（KD）Cdh12 和 Cdh13 基因，觀察對抑制性突觸密度的影響。
- 多重單突觸狂犬病毒示蹤：利用 EnvA/TVA 和 EnvB/TVB 病毒系統，同時追蹤 L5 IT 和 L5 ET 的突觸前抑制性網絡，解析不同錐體神經元的輸入來源。
研究結果
1. 不同錐體神經元的軀體周圍抑制差異
通過逆行標記和電生理記錄發現，L5 ET 神經元的 mIPSC 頻率顯著高于 L5 IT 神經元，提示其接收更多抑制性輸入。免疫組化顯示，L5 ET 的軀體表面富集 PV?（表達小清蛋白的中間神經元）突觸，而 L5 IT 則接收更多 CCK?（表達膽囊收縮素的中間神經元）突觸。這種差異在突觸形成早期（P10）已出現，隨發育逐漸增強，表明抑制模式是神經元內在特性。
2. 細胞類型特異性轉錄程序與鈣黏蛋白的作用
RNA-seq 分析顯示，L5 IT 和 L5 ET 具有獨特的轉錄組特征，其中鈣黏蛋白超家族成員 Cdh12（鈣黏蛋白 - 12）和 Cdh13（鈣黏蛋白 - 13）分別在 L5 IT 和 L5 ET 中特異性高表達。單分子 RNA 熒光原位雜交驗證，Cdh12 在 L5 IT 中的表達量是 L5 ET 的 3 倍，而 Cdh13 在 L5 ET 中是 L5 IT 的 2 倍。
3. Cdh12 和 Cdh13 調控特異性抑制連接
病毒介導的敲低實驗表明，Cdh12 敲低顯著減少 L5 IT 的 CCK?突觸密度，而 Cdh13 敲低則特異性降低 L5 ET 的 PV?突觸密度。交叉實驗顯示，Cdh12 在 L5 ET 或 Cdh13 在 L5 IT 中的敲低不影響其他類型突觸，證實兩者功能具有細胞類型依賴性。
4. 抑制性輸入的突觸前網絡差異
多重單突觸示蹤揭示，L5 IT 和 L5 ET 的抑制性輸入來自不同的 PV?中間神經元亞群。L5 IT 的 PV?輸入分布于 L2/3、L4 和 L5a 層，而 L5 ET 的 PV?輸入主要來自 L5a 和 L5b 層，且兩者的突觸前網絡重疊極少。進一步發現，靶向 L5 ET 的 PV?中間神經元中 Cdh13 表達更高，提示 Cdh13 可能通過同源相互作用介導特異性連接。
結論與討論
本研究揭示了皮層抑制性微環路組裝的分子機制：L5 IT 和 L5 ET 通過表達特異性鈣黏蛋白（Cdh12 和 Cdh13），分別吸引 CCK?和 PV?中間神經元形成軀體周圍抑制。這種細胞類型特異性連接在突觸發生早期建立，依賴于神經元內在的轉錄程序。研究首次證明鈣黏蛋白在抑制性突觸靶向中的關鍵作用，為理解皮層環路的精確組裝提供了分子框架。
討論指出，鈣黏蛋白的功能具有細胞環境依賴性，可能與不同錐體神經元中輔助受體的差異表達有關。例如，Cdh13 作為糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白，需與其他跨膜蛋白合作傳遞信號。此外，研究發現的抑制性輸入分層分布，暗示存在多種 PV?中間神經元亞型，其轉錄組和空間分布差異可能由匹配的細胞表面分子決定。
該研究不僅解答了抑制性連接特異性的科學問題，也為神經發育障礙的研究提供了新方向。例如，自閉癥等疾病中 L5 錐體神經元易受影響，其抑制性連接異�？赡芘c Cdh12/Cdh13 功能失調相關。未來研究可進一步探索鈣黏蛋白的下游信號通路，以及其與神經精神疾病的關聯，為揭示大腦環路異常的病理機制奠定基礎。
