我們的大腦是一張錯(cuò)綜復(fù)雜的連接網(wǎng)，在發(fā)育過程中不斷形成和重塑。而現(xiàn)在，研究人員對出生后大腦發(fā)育過程中的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制有了新的認(rèn)識【1】。最新研究揭示了 GluN3A NMDA 受體蛋白 (NMDAR) 亞基及其在調(diào)整NMDAR 突觸運(yùn)輸方面的作用。

NMDAR亞基的發(fā)育轉(zhuǎn)換

在早期發(fā)育過程中，大腦經(jīng)歷了以突觸的不斷產(chǎn)生和移除為標(biāo)志的顯著轉(zhuǎn)變。這種最初階段的變化后來通過感覺輸入和神經(jīng)元活動得到完善，從而導(dǎo)致穩(wěn)定和加強(qiáng)特定的突觸連接【2】。這一過程至關(guān)重要，因?yàn)樗�能從最初的冗余連接中形成精確的神經(jīng)元回路--這是微調(diào)認(rèn)知功能和行為的關(guān)鍵一步。
 

這一發(fā)育歷程的核心是 NMDAR受體蛋白亞型的轉(zhuǎn)變，特別是從含 GluN2B 的 NMDAR受體蛋白到含 GluN2A 的 NMDAR 的發(fā)育轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)變影響了 NMDARs 受體蛋白的生物物理和藥理特性影響受體的信號傳導(dǎo)、定位和突觸輸入的時(shí)間整合【3】。此外，GluN3A 亞基在突觸穩(wěn)定和成熟過程中發(fā)揮著獨(dú)特的作用，尤其是在出生后時(shí)期。改變 GluN3A表達(dá)的改變會對突觸成熟、記憶鞏固和學(xué)習(xí)產(chǎn)生重大影響。
 

然而，我們?nèi)圆煌耆�了�?NMDAR 受體蛋白在突觸和突觸外區(qū)間的動態(tài)和擴(kuò)散機(jī)制。具體來說，GluN3A 亞基是如何影響這些動態(tài)變化的，從而有利于在突觸處形成不成熟的 NMDAR 受體蛋白表型，這一點(diǎn)還沒有得到廣泛的研究。
 

為了深入研究這一空白，這篇新文章的作者計(jì)劃在活體海馬神經(jīng)元中追蹤表面 GluN3A-NMDARs 受體蛋白并評估 GluN3A 亞基水平對突觸 NMDAR 受體蛋白表面動態(tài)的影響。他們結(jié)合使用了單納米粒子成像、免疫組織化學(xué)、電生理和生物化學(xué)方法，揭示了發(fā)育中神經(jīng)元中 GluN3A-NMDARs 受體蛋白的動態(tài)及其對 NMDARs 突觸含量的影響。

GluN3A 亞基：關(guān)鍵角色

研究小組發(fā)現(xiàn)，與 GluN2-NMDARs 受體蛋白相比，GluN3A-NMDARs 受體蛋白的擴(kuò)散性更強(qiáng)，錨定更松散。研究表明，GluN3A-NMDARs 在海馬神經(jīng)元表面的擴(kuò)散取決于它們的活動。此外，GluN3A 亞基控制著 GluN2A-NMDARs 受體蛋白的動態(tài)和定位，而不是 GluN2B-NMDARs受體蛋白。有趣的是，GluN3A-NMDARs 受體蛋白的物理固定會影響 GluN2A-NMDARs 受體蛋白的表面動力學(xué)。在出生后早期發(fā)育過程中，GluN3A 亞基引導(dǎo) GluN2A/GluN2B 的突觸內(nèi)容。

突觸 NMDAR 的動態(tài)變化

研究人員首先使用單納米粒子（量子點(diǎn) [QD]）跟蹤方法觀察了培養(yǎng)海馬神經(jīng)元中的 GluN3A-NMDARs 受體蛋白。他們發(fā)現(xiàn)，NMDAR 的突觸數(shù)量取決于進(jìn)入和離開突觸后區(qū)域的受體之間的平衡。細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)的各種相互作用會影響這種動態(tài)平衡，而這種平衡取決于受體亞基的組成。例如，GluN2A-NMDAR 受體蛋白的表面擴(kuò)散低于 GluN2B-NMDAR受體蛋白，這可能是由于不同的錨定機(jī)制造成的（圖 2）。為了使用 QD 跟蹤 GluN2A 和 GluN2B，研究小組用GluN2A N端細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域的抗體（Alomone Labs #AGC-002）（表位對應(yīng)于 GluN2A 亞基的 41-53 殘基）或GluN2B亞基抗體（Alomone Labs #AGC-003）（表位對應(yīng)于 GluN2B 亞基的殘基 323-337）和海馬神經(jīng)元一起孵育。然后用 QD 655 驢抗鼠或兔 IgG 進(jìn)行孵育。結(jié)果表明，GluN3A亞基通過改變突觸后區(qū)室中GluN2A-NMDAR 受體蛋白的封閉性和停留時(shí)間來影響其定位。

圖 2.GluN3A 亞基調(diào)控 GluN2A-NMDARs 的表面擴(kuò)散和突觸滯留，而非 GluN2B。(A）轉(zhuǎn)染 Homer 1-DsRed （藍(lán)色）和 GFP-GluN3A 或?qū)φ占?xì)胞（表達(dá) Homer 1 但不表達(dá) GFP-GluN3A）的 7-9 DIV 海馬神經(jīng)元的代表性樹突區(qū)。紅色顯示原生 GluN2A-NMDARs 和 GluN2B-NMDARs 的 QD 軌跡總和。比例尺為 3 毫米。(B）突觸 GluN2A-QDs 和 GluN2B-QDs 在對照神經(jīng)元（n = 89，分別來自至少三個(gè)不同培養(yǎng)物的 15 個(gè)視野；n = 306，分別來自至少三個(gè)不同培養(yǎng)物的 9 個(gè)視野）和表達(dá) GFP-GluN3A 的神經(jīng)元（n = 119，分別來自至少三個(gè)不同培養(yǎng)物的 22 個(gè)視野；n = 277，分別來自至少三個(gè)不同培養(yǎng)物的 18 個(gè)視野）中的瞬時(shí)擴(kuò)散系數(shù)累積分布（P < 0.0001; Mann-Whitney test）。(C）轉(zhuǎn)染 Homer 1-DsRed（藍(lán)色）和 sh1185 或 sh2532（如所示）的 7-9 DIV 神經(jīng)元的代表性樹突區(qū)。原生 GluN2A（上）和 GluN2B（下）的 QD 軌跡總和以紅色顯示。比例尺為 3 毫米。(D) 7-9 DIV 時(shí)對照神經(jīng)元（n = 85，46 個(gè)區(qū)域，來自至少 6 個(gè)不同的培養(yǎng)物；n = 181，41 個(gè)區(qū)域，來自至少 6 個(gè)不同的培養(yǎng)物）突觸 GluN2A-QDs 和 GluN2B 瞬時(shí)擴(kuò)散系數(shù)的累積分布、和轉(zhuǎn)染 sh1185 的神經(jīng)元（n = 209，38 個(gè)區(qū)域，來自至少 6 個(gè)不同的培養(yǎng)物；n = 206，38 個(gè)區(qū)域，來自至少 6 個(gè)不同的培養(yǎng)物）或 sh2532 的神經(jīng)元（n = 240，37 個(gè)區(qū)域，來自至少 6 個(gè)不同的培養(yǎng)物；n = 158，33 個(gè)區(qū)域，來自至少 6 個(gè)不同的培養(yǎng)物）（p < 0.0.006; Kruskal-Wallis followed by Dunn's multiple comparison test）。圖和圖例來自González-González IM, et al. Cell Rep. 2023;42(5):112477..

GluN3A亞基在突觸成熟中的作用

研究小組的數(shù)據(jù)還表明，GluN3A亞基表達(dá)的發(fā)育減少與GluN2A-NMDARs受體蛋白逐漸并入突觸后位點(diǎn)的過程一致。研究人員提出了一個(gè)模型，在這個(gè)模型中，GluN3A 亞基會 "破壞 "成熟突觸中 GluN2A-NMDAR 受體蛋白的穩(wěn)定，從而延遲它們的穩(wěn)定。此外，GluN3A-NMDARs 受體蛋白還受到神經(jīng)元活動的影響，這表明它們在推動突觸成熟方面發(fā)揮了作用。

EphB2R 和 GluN2A-NMDAR 信號傳導(dǎo)

此外，跨膜 EphB2 受體（EphB2R）在谷氨酸突觸的 GluN2-NMDAR 受體蛋白信號成熟過程中似乎也發(fā)揮了作用。敲除 GluN3A 亞基會改變 NMDAR 受體蛋白與 EphB2R 之間的相互作用，但研究發(fā)現(xiàn)，GluN3A 對 GluN2A-NMDAR 受體蛋白的脫穩(wěn)作用與與 PSD95 的相互作用無關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)還表明，GluN3A 的脫穩(wěn)作用將突觸 GluN2B 到 GluN2A 的轉(zhuǎn)換限制在發(fā)育的后期階段，從而使 GluN2B-NMDAR 受體蛋白信號在關(guān)鍵發(fā)育階段占主導(dǎo)地位。

對神經(jīng)發(fā)育和失調(diào)的影響

最后，這項(xiàng)研究描述了一種機(jī)制，在這種機(jī)制中，GluN3A 亞基會阻止 GluN2A-NMDARs 受體蛋白在成熟突觸處的穩(wěn)定，從而有利于降低 GluN2A/2B 突觸比率。這似乎是一種控制谷氨酸能突觸成熟的調(diào)節(jié)機(jī)制，與哺乳動物大腦正常發(fā)育的關(guān)鍵進(jìn)化過程相一致。此外，GluN3A 表達(dá)的改變已在各種神經(jīng)發(fā)育和精神疾病中這表明，GluN3A 表達(dá)的變化可能會限制突觸的可塑性和成熟，從而導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能失調(diào)。

連接更廣闊的視角

這項(xiàng)研究揭示了 GluN3A 亞基防止 GluN2A-NMDARs 受體蛋白過早穩(wěn)定的獨(dú)特機(jī)制。它使我們對突觸成熟如何與經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系以及發(fā)育受限的 GluN3A 表達(dá)如何對哺乳動物大腦的正常進(jìn)化至關(guān)重要的認(rèn)識又增加了一層。這種表達(dá)的改變可能會限制突觸成熟的時(shí)間窗口，從而導(dǎo)致神經(jīng)和精神疾病，因此深入了解 NMDARs 受體蛋白是一項(xiàng)有價(jià)值的研究。

【1】I. M. González-González, Gray J A , Ferreira J S ,et al.GluN3A subunit tunes NMDA receptor synaptic trafficking and content during postnatal brain development.[J].Cell reports, 2023, 42 5:, 112477. DOI:10.1016/j.celrep.2023.112477.

【2】Katz, L.C. and Shatz, C. J.(1996). Synaptic activity and the construction of cortical circuits. Science 274, 1133-1138. 

【3】Paoletti, P., Bellone, C. & Zhou, Q. NMDA receptor subunit diversity: impact on receptor properties, synaptic plasticity and disease. Nat Rev Neurosci 14, 383-400 (2013)