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抑制性神经元利用gCaMKII来解码NMDA信号以调控其AMPA受体的机制解析

A Critical Role for γCaMKII in Decoding NMDA Signaling to Regulate AMPA Receptors in Putative Inhibitory Interneurons

何幸之^1,2•汪洋^1,2•马欢^1,2,3

¹神经生物学系，附属精神卫生中心/杭州市第七人民医院，浙江大学医学院，杭州310058，中国

²国家卫生健康委和中国医学科学院医学神经生物学重点实验室，教育部脑与脑机融合前沿科学中心，浙江大学脑科学与脑医学学院，杭州310058，中国

³情感和情感障碍的脑机制创新单元，中国医学科学院，中国

第一作者：何幸之、汪洋

通讯作者：马欢

突触是大脑神经元信息交流的基本功能单元，其连接强度的可塑性变化被认为是学习记忆在大脑中编码和存储的关键机制。长时程增强（long-term potentiation，LTP）是指神经元在神经元活性的调控下，其突触强度发生长时程增强的过程，是目前被广泛接受的学习记忆在分子细胞层面的模型。大脑中的神经元按照功能可以大体分为兴奋性神经元和抑制性神经元。通过与兴奋性神经元协同作用，抑制性神经元的可塑性对于大脑兴奋性活动的整体水平和信息处理的动态控制至关重要。但过去大多数的研究都集中在兴奋性神经元上的兴奋性突触（LTP_E→E），对于抑制性神经元上兴奋性突触LTP（LTP_E→I）分子机制的研究相对较少。

与兴奋性神经元类似，抑制性神经元也可以利用NMDA受体（NMDAR）和AMPA受体（AMPAR）介导其接受兴奋性输入。但是与兴奋性神经元不同的是，抑制性神经元大量表达Ca²⁺可透过的AMPAR（CP-AMPAR），而NMDAR表达则相对较低。更为重要的是，作为介导兴奋性神经元LTP_E→E的关键分子—aCaMKII并不在抑制性神经元中表达。这些兴奋性神经元与抑制性神经元的差异引发了众多科学家对抑制性神经元LTP分子机制的思考，甚至引发了关于LTP_E→I是否存在的科学争议。最近的研究发现，CaMKII的另外一种亚型——gCaMKII在抑制性神经元中大量表达，且电生理分析也发现gCaMKII在LTP_E→I过程中起着关键作用，但其调控LTP_E→I的具体分子机制目前还不清楚。如果抑制性神经元中NMDAR表达相对较少而CP-AMPAR较多，那么gCaMKII是否能通过介导NMDAR-AMPAR信号转导来调控LTP_E→I？

针对这一关键科学问题，研究人员首先利用离体培养的原代神经元便于基因操控和高解析度观察AMPAR上膜过程的特性，结合电生理等手段探究CaMKII的激活模式和功能。结果显示，相较于兴奋性神经元（aCaMKII阳性），抑制性神经元（aCaMKII阴性）中的CaMKII优先被高频刺激激活。考虑到不同的CaMKII亚型具有不同的自磷酸化速率，这些结果提示表达在抑制性神经元中的CaMKII亚型可能与在兴奋性神经元中的不同。为了进一步证实这一结论，研究人员利用shRNA敲降gCaMKII后，发现化学LTP（cLTP）诱导的抑制性神经元CaMKII的激活受到抑制。这就表明，gCaMKII是在抑制性神经元中表达的主要CaMKII亚型，并在功能上起着关键作用。

为了确定gCaMKII在抑制性神经元中的亚细胞定位，研究人员采用免疫电镜的方法观察到小鼠大脑海马组织中gCaMKII较多分布在树突轴上的突触后致密区附近。此外，在给予培养的海马神经元NMDA刺激诱导神经元活动后，抑制性神经元中gCaMKII与突触后致密物PSD-95共定位水平升高，表明gCaMKII会发生活性依赖的突触后转运。基于以往的研究认为化学刺激引起的突触后膜表面AMPAR的快速增加与电刺激引起的LTP具有相似的分子机制，研究人员利用shRNA结合免疫染色的方法，进一步检测了抑制性神经元中gCaMKII在NMDAR介导的AMPAR功能调控中的作用。结果显示，在敲除gCaMKII后，cLTP诱导的抑制性神经元AMPAR的磷酸化和上膜转运被抑制，并且这一现象可被再表达野生型的gCaMKII而非激酶死亡形式的gCaMKII所逆转（图1），提示抑制性神经元中gCaMKII作为钙调激酶可以解码兴奋性突触后NMDAR介导的信号，调节AMPAR的功能，进而调控LTP_E→I。

关键词：突触可塑性；LTP；抑制性神经元；gCaMKII；NMDAR；AMPAR

图1gCaMKII调节抑制性中间神经元中AMPAR的转运。A–C典型图（A，B）和分析结果（C）显示在培养的抑制性神经元中单独表达一个对照shRNA或gCaMKII shRNA，或共表达gCaMKII shRNA和抵抗shRNA的野生型gCaMKII（gCaMKII^RWT），或共表达gCaMKII shRNA和抵抗shRNA的激酶死亡形式的gCaMKII（gCaMKII^RK43R）后，在基础条件下或cLTP刺激后树突表面AMPAR亚基GluA1表达的改变。

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https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-022-00840-x