研究发现AMPA受体泛素化在兴奋性突触功能调控中的新机制
人类大脑中约含有100亿个神经元。神经元通过突触结构彼此连接构成神经网络进行信息交流整合，是执行大脑各种生理功能的物质基础。神经元功能调控紊乱是神经精神疾病发生的重要原因之一，也是相关疾病干预治疗的重要靶点。谷氨酸是脑内主要的兴奋性神经递质，对应的谷氨酸受体在神经元突触部位的表达水平，是突触信息传递效率及神经网络活性的决定因素。
AMPA型谷氨酸受体在突触后膜中的表达定位和功能调控，决定兴奋性突触传递活性的强度，同时神经元活性依赖此过程。神经元内AMPA受体的转运调控过程决定其在突触后膜的动态变化，也是突触可塑性（长时程增强LTP和长时程抑制LTD）产生的关键前提。AMPA受体是由不同的GluA1/2/3/4亚基组合构成的四聚体复合物。已知这些亚基的多种蛋白质翻译后修饰（磷酸化、糖基化和棕榈酰化），参与调控突触后膜AMPA受体的动态转运过程。虽然泛素化-蛋白酶体系统介导的蛋白质稳定性调控在突触传递和可塑性中发挥重要作用，但科研人员对AMPA受体泛素化调节的分子机制以及如何影响兴奋性突触传递活性仍知之甚少。目前，已明确的AMPA受体E3泛素连接酶有Nedd4、Nedd4L、APCCdh1和RNF167。它们参与兴奋性突触传递活性调控，并介导AMPA受体蛋白稳定性调控紊乱。同时，它们或与相关神经疾病发生发展密切相关，例如，与癫痫相关的Nedd4L基因点突变影响GluA1受体的泛素化，从而导致神经元过度兴奋。然而，关于AMPA受体泛素化调控在兴奋性突触功能调控中的作用及分子机制，以及这种分子调控与神经疾病之间存在何种联系，尚有待深入研究。
中国科学院昆明动物研究所研究员毛炳宇团队关注E3泛素连接酶RNF220在中枢神经系统发育过程中的作用机制。研究发现，RNF220在神经细胞命运决定和神经管模式化等发育过程中发挥重要作用。一项疾病遗传研究报道了RNF220纯合突变（R363Q和R365Q）导致大脑功能异常，且多种临床症状与突触调控功能紊乱相关，如智力障碍和癫痫。虽然该团队的前期研究表明该基因在小鼠成年皮层和海马中高表达，但对RNF220在成熟神经元中的泛素化底物和生物学功能仍不清楚，特别是该分子调控是否参与突触调控及大脑生理功能和病理过程。对此，昆明动物所研究员盛能印、毛炳宇与复旦大学教授丁玉强团队合作，揭示了RNF220作为AMPA受体新型泛素化连接酶在突触传递活性调控中的功能和分子机制。近日，相关研究成果以RNF220 is an E3 ubiquitin ligase for AMPA receptors to regulate synaptic transmission为题，发表在《先进科学》（Science Advances）上。
为解析RNF220在成熟神经元中的功能机制，针对RNF220在成年小鼠大脑中主要表达于皮层和海马这一特性，科研团队将RNF220fl/fl条件性敲除小鼠与Emx1-Cre工具鼠杂交，实现在前脑区域特异性敲除RNF220分子，发现在此小鼠模型中，大脑皮层和海马的发育和形态结构未见异常，但AMPA受体介导的微小兴奋性突触电流（mEPSC）的振幅和频率及刺激性兴奋性突触电流（eEPSC）均显著性增强，而长时程增强LTP能力显著减弱。同时，神经突触后致密体（PSD）中AMPA受体的表达水平显著上升，而NMDAR及其他兴奋性突触关键蛋白的表达没有明显变化。这一表明，E3连接酶RNF220参与调控兴奋性突触传递和突触可塑性，并提示可能是通过调节AMPA受体的蛋白稳定性来发挥作用。为验证这一假设，科研人员结合体外细胞和培养海马脑片及体内小鼠模型，发现GluA1和GluA2受体是RNF220泛素连接酶的直接底物，且RNF220对AMPA受体介导的eEPSC的增强依赖其泛素化连接酶活性。而将GluA1和GluA2受体胞内端潜在的RNF220泛素化位点突变后，RNF220不能调控两种受体在兴奋性突触后膜的表达定位。此外，RNF220对于AMPA受体的蛋白稳定性调控机制，也参与AMPA受体在神经元细胞膜的转运表达过程。针对上述小鼠模型进行神经行为学分析，发现RNF220分子在前脑缺失后，会显著降低小鼠的短期记忆能力，如恐惧记忆、新物体识别和社交记忆，而其长期记忆水平，如水迷宫和恐惧记忆，则没有明显变化。分子生化分析发现，疾病遗传发现的两种突变R363Q和R365Q，会显著减弱RNF220与AMPA受体的相互作用及对后者的泛素化调节过程。电生理结果也证实这两种突变使得RNF220丧失了调控兴奋性突触传递活性的能力。
综上，该研究发现RNF220是一种新的AMPA受体的E3泛素连接酶，阐明了RNF220在兴奋性突触传递和可塑性调控及学习记忆功能中的作用机制，有助于探究突触蛋白稳定性调控在大脑生理功能及病理过程中的作用机制。研究工作得到国家自然科学基金、中科院及云南省科技厅等的支持。
RNF220作为新型AMPA受体泛素化连接酶调控突触活性和神经行为示意图
来源：中国科学院昆明动物研究所