长时程增强（LTP）是学习和记忆的细胞基础，其核心是突触后致密区（PSD）的重塑以及α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体（AMPAR）向突触的快速递送。尽管Ca²⁺/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（CaMKII）和支架蛋白SHANK3已被分别认为在LTP中起关键作用，但它们如何协同工作以驱动PSD结构变化的机制尚不清晰。2026年4月20日发表于《Nature Communications》的一项研究中，中国科学院深圳先进技术研究院的刘希、王钰、杨鹏及同事（通讯作者为Leo E Wong和苏俊）发现，SHANK3通过其大的内在无序区（IDR）发生液-液相分离（LLPS），形成动态的凝聚物，作为PSD重组的功能平台。在LTP诱导时，活化的CaMKII被快速招募到SHANK3凝聚物中，促进凝聚物融合和PSD扩张。一个与自闭症谱系障碍（ASD）相关的SHANK3移码突变（InsG3680）破坏了IDR、损害了LLPS，导致PSD重塑和AMPAR招募的缺陷。这一发现将相分离确立为突触可塑性中一个基本且动态的调控机制，并为SHANK3相关的神经发育障碍提供了新的病理生理学解释。
研究亮点速览
- 核心概念：SHANK3通过其大的内在无序区（IDR）发生液-液相分离（LLPS），在PSD中形成动态的、“类液体”的凝聚物。
- 突触定位：在培养的海马神经元中，内源性SHANK3以“斑块”形式存在于树突棘的PSD中；删除IDR破坏其聚集。
- 功能耦合：光激活的CaMKII（opto-CaMKII）被快速招募到SHANK3凝聚物中，这种招募依赖于CaMKII与SHANK3的相互作用（通过CaMKII的激酶结构域）。
- 凝聚物动态：CaMKII的招募促进SHANK3凝聚物的融合与重塑，从而驱动PSD的扩张——这一过程对LTP中AMPAR的突触递送至关重要。
- 疾病突变：ASD相关的SHANK3突变（InsG3680，截断部分IDR）损害LLPS、破坏CaMKII的招募、阻断PSD重塑，并减少AMPAR在突触的积累。
- 模型：活性依赖的SHANK3凝聚物招募CaMKII，是调控LTP过程中PSD结构重组的一种新机制。
背景：PSD的“组织危机”与相分离
已知：
- 在LTP期间，CaMKII被激活，随后AMPAR被快速递送到突触。
- SHANK3是PSD中含量最丰富的支架蛋白之一，通过其PDZ结构域连接NMDA受体、GKAP/PSD-95和肌动蛋白细胞骨架。
- SHANK3的突变是自闭症（ASD）和Phelan-McDermid综合征的最常见单基因病因之一。
未知：
- SHANK3如何组织PSD中的“数百种”蛋白，形成高度有序但动态的结构？
- 经典的锁-钥模型难以解释PSD在毫秒至分钟尺度上的快速重组。
相分离假说：
- 近年来，许多支架蛋白（如PSD-95、SynGAP）被证明通过LLPS形成无膜细胞器。
- SHANK3包含一个大的内在无序区（IDR），是LLPS的理想候选者。
- 本研究首次提供直接证据：SHANK3在活细胞和神经元中进行LLPS，并且这一过程在LTP中活性依赖地招募CaMKII。
核心结果解析
1. SHANK3通过IDR发生相分离并在树突棘中聚集
体外实验：
- 纯化的SHANK3大IDR（SHANK3-IDR）与荧光标记物混合，在生理盐浓度和温度下形成球形液滴，表现出液体的特性（融合、分裂、荧光漂白后快速恢复）。
- 删除IDR（SHANK3-ΔIDR）或截断突变（InsG3680）完全消除液滴的形成。
细胞实验：
- 在HEK293细胞中过表达SHANK3全长形成明亮的点状凝聚物；SHANK3-ΔIDR呈弥散分布。
- 在海马神经元中，内源性SHANK3在树突棘的PSD中形成小的、类液体的斑块；Shank3敲低后，这些斑块消失，PSD面积缩小。
2. CaMKII被动态招募到SHANK3凝聚物中
光遗传学工具：
- 使用opto-CaMKII（将拟南芥光敏色素2的PASB结构域融合到CaMKII的调控区，蓝光激活）。
- 在表达SHANK3凝聚物的神经元中，蓝光激活opto-CaMKII后，CaMKII在数秒内迅速转位到SHANK3凝聚物中。
- 结合关键实验：CaMKII的激酶结构域（KD）直接结合SHANK3（通过免疫共沉淀证实），并且该结合被ASD突变破坏。
功能重要性：
- CaMKII的招募是双向的：激活的CaMKII结合SHANK3并促进凝聚物的融合（面积增大、球形化），进而增加PSD的“容纳能力”。
- 招募CaMKII的突变体（CaMKIIT305D/T306D，模拟自磷酸化）显示更强的凝聚物结合和更大的PSD扩张。
3. 凝聚物动态调控AMPAR突触递送
关键实验：
- 在神经元中进行化学LTP（cLTP）诱导（使用glycine/strychnine/无Mg²⁺）：
- 对照（野生型SHANK3）：PSD面积增加，AMPAR（GluA1）在突触聚集增多。
- SHANK3-ΔIDR或InsG3680：PSD面积不增加，AMPAR不聚集。
- 光激活CaMKII直接驱动SHANK3凝聚物融合，这足以将AMPAR递送到突触（即使在缺乏化学LTP刺激的情况下）。
定量：
- 超分辨显微镜（SIM）显示，在LTP条件下，SHANK3凝聚物的平均直径从约70 nm增加到超过120 nm。