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梅林/熊文诚课题组揭示突触后受体聚集和神经肌肉接头形成的新机制

已有 555 次阅读 2021-5-25 10:39 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2021年5月24日晚23时,美国凯斯西储大学邢广林博士等在Neuron杂志发表题为“Membraneless condensates by Rapsn phase separation as a platform for neuromuscular junction formation”的研究文章,揭示了Rapsn的新机制。


他们发现Rapsn能够液-液相分离(liquid-liquid phase separation),自发形成无膜包裹的凝聚体(condensates)。他们证明这些凝聚体在突触后乙酰胆碱受体聚集以及神经肌肉接头形成中起着重要作用。所谓液-液相分离,是指蛋白或其它组分在液态溶液中相变成具有液态特征的凝聚体。


该研究提示Rapsn液-液相分离可能是突触后乙酰胆碱受体聚集和神经肌肉接头形成的新的机制。凯斯西储大学邢广林博士为该论文的第一作者,梅林教授、熊文诚教授是该论文的共同通讯作者。


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我们日常生活中的每一个活动如走路、吃饭、喝水、呼吸甚至静坐都离不开肌肉收缩。控制肌肉离不开人体里一个叫神经肌肉接头的结构,这是一个运动神经元与骨骼肌纤维之间的链接(神经科学上叫突触)。神经肌肉接头是一个化学突触,运动神经元膜稍释放乙酰胆碱,后者激活肌肉细胞膜上的乙酰胆碱受体产生电位变化,这样就把大脑的指令传给肌纤维,从而使其收缩。神经肌肉接头效率很高,虽然所占面积不到肌肉表面的千分之一,它却能够高效准确传递信号,其中一个关键就是乙酰胆碱受体在肌纤维膜上的高度聚集。许多肌无力的疾病如先天性肌无力,重症肌无力,以及肌萎缩性侧束硬化症(渐冻症)都有神经肌肉接头的结构和功能病变。


神经肌肉接头形成是一个有趣的过程。肌肉纤维在运动神经末梢到达之前,已经自发形成了一些细长的乙酰胆碱受体聚集体;运动神经末梢到达后,接触到神经末梢的肌纤维表面的受体聚集体变大或形成新的聚集体,同时接头外没有被神经支配的乙酰胆碱受体聚集体逐渐消失。据估计乙酰胆碱受体在接头后膜的浓度约为10,000 – 20,000 / μm2,而突触外受体的浓度只有10 / μm2如果把肌肉纤维比作一列十节的高铁,每一节车厢有一百排座位,乙酰胆碱受体仅仅聚集在中间一节车厢的一排座位大小的天花板上。想象一下,受体一头在车厢外面,像高铁的“辫子”(受电弓),结合神经递质乙酰胆碱,另一头在车厢里面和许多其它的蛋白质相互作用,这些蛋白分子像许多氢气球一样,悬挂在乙酰胆碱受体的下方,参与受体的聚集和神经肌肉接头的形成。


其中一个关键的蛋白质就是Rapsn,它只有43 kD,既能结合乙酰胆碱受体,又能结合细胞骨架调节蛋白,所以传统观点认为Rapsn的作用是把受体锚定到骨架分子上。新近研究发现Rapsn除了结合受体和细胞骨架调节蛋白之外,还结合许多其他突触后蛋白;另外,它还具有酶的催化功能,通过类泛素化(neddylation)稳定乙酰胆碱受体。


肌纤维自发形成乙酰胆碱受体聚集体的机制不清楚,但是神经诱导的聚集体是由聚集素(agrin)造成的。聚集素从神经末梢释放后与肌肉纤维膜蛋白Lrp4蛋白结合,激活同样位于肌肉细胞膜上的酪氨酸激酶Musk,导致受体聚集。聚集素,Lrp4,Musk或Rapsn突变体小鼠不能形成乙酰胆碱受体聚集体和神经肌肉接头;它们的基因突变会导致先天性肌无力,而重症肌无力患者的体内有抗聚集素、Lrp4或/和Musk的抗体,这些都说明这些蛋白分子对神经肌肉接头的形成和功能中起着十分重要作用。尽管如此,现在对Musk下游的信号传导机制所知甚少。

 

在最新这篇论文中,作者发现,纯化后的Rapsn能够在生理溶液中相变成水珠样凝聚体。这些凝聚体呈现出液态特性,两个Rapsn凝聚体接触后能够融合成一个更大的凝聚体;如果荧光淬灭凝聚体的一部分,信号会很快恢复,表明凝聚体中Rapsn和周围溶液中Rapsn能够自由交换。不仅如此,Rapsn能够在哺乳细胞,培养的肌管以及小鼠的肌肉纤维中形成液态特性的凝聚体。有意义的是Rapsn能够募集乙酰胆碱受体,细胞骨架调节蛋白和信号传导蛋白到它的凝聚体中。


这些结果提示Rapsn液-液相分离形成的凝聚体有两个功能,第一,Rapsn凝聚体为乙酰胆碱受体和细胞骨架蛋白聚集提供一个平台,介导受体和细胞骨架的结合;第二,Rapsn凝聚体有载体功能,通过和周围溶液的交换、以及凝聚体融合募集调节受体聚集分子,就像一个个小推车把那些气球移送到受体聚集的位置,促进神经肌肉接头形成。这些发现为肌纤维如何在神经末梢到来之前形成乙酰胆碱受体的聚集体提供了一个机制。与聚集素,Lrp4,Musk相比,Rapsn在种属进化中更加保守;例如线虫只有Rapsn,而没有聚集素,Lrp4和Musk的基因,提示Rapsn凝聚体是受体聚集和突触形成的基础。作者还发现聚集素-Lrp4-Musk信号通路对Rapsn的液相分离有促进作用,提示其下游一个新的作用机制。


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先天性肌肉力病人的15%是由Rapsn突变所致,约有60突变位点。作者研究了这些突变对凝聚体形成及其载体功能的影响,发现一些突变(L14P,N88K,R164H)抑制Rapsn液-液相分离,另一些突变(L326P,E147K,1177del2)虽然对凝聚体的形成没有影响,但是抑制Rapsn的载体功能,阻碍Rapsn募集乙酰胆碱受体或其它突触后蛋白。N88K和R164H突变的肌肉纤维乙酰胆碱受体聚集受阻,突变小鼠神经肌肉接头形成发生严重缺陷。这些结果为Rapsn液-液相分离的生理作用提供了遗传学的证据。 

 

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.04.021




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