北京大學生命科學學院張研課題組揭示神經元中初級纖毛與軸突起始節(jié)的潛在關聯(lián)
在神經系統(tǒng)中，大多數神經元都擁有初級纖毛結構，其在高效傳遞細胞外刺激中扮演了關鍵角色。研究發(fā)現(xiàn)，初級纖毛功能的異常與神經元連接的紊亂以及神經系統(tǒng)興奮與抑制的平衡失調密切相關。最新研究進一步揭示了纖毛離子通道在海馬體調節(jié)興奮性中的作用，同時闡明了神經元初級纖毛在大腦電信號傳導過程中的重要功能。然而，初級纖毛如何具體調控神經元興奮性的機制仍有待深入研究。探討初級纖毛信號與突觸連接及神經元興奮性之間的復雜關系，為神經科學研究提供了重要方向。
2025年1月13日，北京大學教授張研課題組在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，初級纖毛與軸突起始節(jié)（axon initial segment, AIS）這兩個神經元中的關鍵亞細胞區(qū)室，盡管在空間上相距較遠，卻存在相互作用關系。研究進一步強調了初級纖毛在神經系統(tǒng)中的重要地位，并為其對神經元電活動的影響提供了新的可能解釋。
論文截圖
研究團隊通過敲除纖毛特異性蛋白生長抑素3型受體（somatostatin receptor 3，SSTR3）評估了其對神經元初級纖毛的影響。結果表明，SSTR3的表達水平直接影響初級纖毛的長度：過表達SSTR3會顯著促進纖毛延長，而敲除SSTR3則導致纖毛縮短（圖1. A—D）。此外，研究利用特異性靶向初級纖毛的熒光鈣指示劑探針進一步發(fā)現(xiàn)，SSTR3敲除會顯著降低纖毛內的鈣信號傳導幅度，并延長信號達到峰值的時間，這表明纖毛信號傳導功能受到了干擾（圖1. E—H）。
圖1. 纖毛蛋白SSTR3調節(jié)初級纖毛長度和纖毛內鈣信號。A. 初級纖毛蛋白SSTR3過表達免疫染色圖，比例尺，10μm。B. SSTR3過表達造成初級纖毛長度增加。C. 初級纖毛蛋白SSTR3敲低后免疫染色圖，比例尺，10μm。D. SSTR3敲低造成初級纖毛長度縮短。E. SSTR3-/-小鼠海馬神經元初級纖毛內鈣信號傳導存在缺陷。比例尺，2μm。F. 在ATP處理前后，SSTR3+/+和SSTR3-/-神經元纖毛GECO1.0熒光與mCherry熒光比值變化圖。G. ATP處理后，S SSTR3+/+和SSTR3-/-小鼠初級纖毛鈣信號到達峰值到達時間統(tǒng)計圖。H. ATP處理后，SSTR3+/+和SSTR3-/-小鼠初級纖毛鈣信號峰值強度統(tǒng)計圖
初級纖毛與認知功能緊密相關，研究表明，缺乏纖毛相關蛋白的轉基因小鼠通常表現(xiàn)出學習和記憶障礙。研究團隊采用Y迷宮測試工作記憶，并使用莫里斯水迷宮評估空間記憶。結果顯示，SSTR3敲除小鼠在與空間線索相關的記憶任務中，表現(xiàn)出顯著的學習能力下降。這一現(xiàn)象與電生理分析結果相一致，SSTR3敲除小鼠的長時程增強（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照組。此外，樹突棘密度評估發(fā)現(xiàn)，SSTR3敲除導致成熟樹突棘比例顯著下降，進一步證明初級纖毛在學習和記憶過程中的重要作用。
研究團隊進一步評估了SSTR3敲除對神經元興奮性的影響。電生理記錄結果表明，海馬神經元的興奮性顯著下降。AIS是動作電位發(fā)放的關鍵區(qū)域，研究發(fā)現(xiàn)，初級纖毛信號的擾動導致AIS中關鍵蛋白AnkyrinG（AnkG）長度縮短，周期性結構被破壞，喪失了AIS的可塑性，進而影響了神經元的電信號傳導（圖2）。
為了揭示其分子機制，研究團隊通過基因測序發(fā)現(xiàn)PI3K-Akt信號通路可能在AIS變化中起重要作用。免疫印跡實驗結果進一步表明，SSTR3敲除導致磷酸化Akt水平下降，并抑制了其下游轉錄因子環(huán)磷腺苷效應元件結合蛋白（CREB）的活性。通過雙熒光素報告基因實驗和染色質免疫共沉淀，研究團隊確認CREB作為AnkG的轉錄調控因子，通過調節(jié)AnkG啟動子活性影響其表達（圖3）。
圖2. 纖毛蛋白的異常表達影響了AIS的長度。左上方為初級纖毛結構及纖毛相關蛋白在纖毛上定位示意圖，下方為相應纖毛蛋白異常表達對AIS長度調控示意圖
圖3. 纖毛信號調控AnkG蛋白表達，從而調控神經元興奮性
這項研究為初級纖毛在調節(jié)神經元興奮性及認知功能中的作用提供了新的見解，拓寬了對神經元信息處理與動作電位發(fā)放的理解，揭示了SSTR3對學習記憶過程的可能調控機制，為初級纖毛影響神經元電活動提供了可能的解釋。
北京大學生命科學學院博士研究生汪瀚、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“腦科學與類腦研究”重大專項、北京市自然科學基金項目、北京生命科學研究院（BLSA）基金、啟東-SLS創(chuàng)新基金和逸夫生命科學基金的資助，以及北京大學國家蛋白質科學中心的支持。
來源：北京大學官網
