Mol Psychiatry︱石云/许争峰/杨建军团队揭示谷氨酸受体突变损害认知的新机制
责编︱王思珍
中枢神经系统内，脑内神经信号在神经元之间的交换依赖于谷氨酸和谷氨酸受体。突触前神经元释放的信号分子谷氨酸结合并激活突触后膜的NMDA型谷氨酸受体，介导离子的流动，提升神经元胞内的Ca2+浓度，引起神经突触的强度变化----依据神经元和突触本身的活动或增强（LTP）、或减弱（LTD），这种细胞反应称为突触可塑性。突触的可塑性变化被认为是认知、学习和记忆、遗忘等神经功能的细胞学基础。NMDA受体因而在认知中起关键作用。
在脑内，NMDA受体主要分为GluN2A和GluN2B两种类型。这两种类型的NMDA受体在通道动力学上有所不同，GluN2A失活比GluN2B快，其介导的Ca2+信号相对较弱。这两类NMDA受体在LTP和LTD中的作用，一直是突触可塑性领域争论的焦点为题之一。药理学研究倾向于GluN2A受体对LTP的诱导起关键作用[1]，而遗传学证据倾向于GluN2B受体[2, 3]，因而这个问题悬而未决。在LTD的诱导过程中，GluN2A和GluN2B的作用也充满争议[1, 3, 4]。
2022年4月28日，南京大学石云教授团队、南京市妇幼保健医院许争峰主任团队和郑州大学第一附属医院杨建军主任团队合作在《分子精神病学》（Molecular Psychiatry）在线发表了题为“Enhancing GluN2A-type NMDA receptors impairs long-term synaptic plasticity and learning and memory”的科研论文，揭示了GluN2A受体突变损害认知和突触可塑性的新分子机制。论文对于GluN2A和GluN2B受体在突触可塑性中的作用提出了新的见解。
作者在一个智力发育迟缓的儿童发现了GluN2A的一个罕见突变（K879R），即879位点的赖氨酸（K）突变成了精氨酸（R）。由于赖氨酸和精氨酸都是机体内带正电的碱性氨基酸，该突变不改变GluN2A受体的通道性质。然而879位点的赖氨酸残基位于一个KKK879-881的赖氨酸三联体上，研究表明该赖氨酸三联体是一个内质网滞留信号，其作用是减缓新合成的GluN2A受体运输到细胞膜上。K879R突变破坏了这个信号，因而受体的上膜运输加快，在细胞膜上的GluN2A受体增多（图1）。
图1 KKK879-881是一个内质网滞留信号，突变成AAA或者K879R破坏了这个滞留信号，促进细胞膜上GluN2A受体的表达。
（图源 Li QQ, et al., Mol Psychiatry, 2022）
为进一步理解该突变是否以及如何导致认知的障碍，作者制作了GluN2A_K879R的突变敲入小鼠，即在小鼠的基因组里引入一个点突变，模拟病人的基因突变。多种行为学分析发现，突变小鼠的新物体识别能力、工作记忆、恐惧记忆、空间学习与记忆能力都下降了，说明GluN2A_K879R突变损害了小鼠的认知能力（图2）。
图2 GluN2A_K879R突变小鼠的学习和记忆能力受到损害。
（图源 Li QQ, et al., Mol Psychiatry, 2022）
生化分析表明突变小鼠的GluN2A受体在神经元细胞膜以及突触膜上的表达和功能都增强了。有趣的是，伴随着GluN2A在细胞膜上的表达增强，GluN2B在细胞膜和突触上的表达及功能却减弱了。这可能是一种互补抑制机制。同时也观察到AMPA型谷氨酸受体 GluA1在细胞膜的表达减少（图3）。NMDA受体和AMPA受体介导的突触后电流也发生了相应的变化。
图3 GluN2A_K879R突变小鼠谷氨酸受体的变化。在皮层和海马，谷氨酸受体的总表达没有变化，而细胞膜上的NMDA受体和AMPA受体发生了变化。
（图源 Li QQ, et al., Mol Psychiatry, 2022）
谷氨酸受体的这些变化造成了突触可塑性的损伤：在诱导突触增强（LTP）的实验条件下，突变小鼠的LTP诱导不出来；在诱导突触减弱（LTD）的实验条件下，突变小鼠的LTD也诱导不出来。因此，这项研究发现了一个导致突触可塑性损伤和认知缺陷的新机制（图4）。
图4 GluN2A_K879R突变小鼠LTP和LTD都受到损伤。
（图源 Li QQ, et al., Mol Psychiatry, 2022）
图5 文章总结图：A. 病人中发现的罕见突变；B. 基因敲入小鼠认知能力减弱；C. 基因敲入小鼠NMDA受体功能的变化，AMPA受体功能的变化，突触可塑性的损伤。
（图源 Li QQ, et al., Mol Psychiatry, 2022）
该研究从一个智力发育迟缓的病人发现了一个上膜和突触表达增强的GluN2A突变体，抑制了GluN2B的突触表达，并导致了突触可塑性的损害，解释了该病患智力发育迟缓的内在原因。GluN2A受体突触表达增强，LTP反而减弱，这个现象和过去药理学研究发现GluN2A抑制剂损伤LTP相悖[1]，作者推测，突触上的GluN2B受体减弱是LTP和LTD损害的关键因素。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41380-022-01579-7
南京大学医学院博士生李晴晴、博士后陈江和南京市妇幼保健医院胡平医师为共同第一作者，石云（南京大学）、杨建军（郑大一附院）和许争峰（南京市妇幼保健医院）为该文的通讯作者。该研究工作受到国家自然科学基金，科技部重大专项项目等基金的支持。
文章通讯作者： 石云（左）、杨建军（左）、许争峰（左）。
（照片提供自： 石云/杨建军/许争峰团队）
石云团队近年在国际知名杂志，如Nature、PNAS、Mol Psychiatry、Neuron、Nature Communications、Cell Reports 等发表了多篇关于神经可塑性、神经与精神疾病、新型离子通道领域研究论文。欢迎具有分子生物学、离子通道、电生理和神经环路研究背景的优秀博士加入课题组开展博士后研究，待遇优厚。有意者请联系石云教授（shiyun@gdiist.cn)，长期有效。
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参考文献（上下滑动阅读）
1.Liu, L., et al., Role of NMDA receptor subtypes in governing the direction of hippocampal synaptic plasticity. Science, 2004.304 (5673): p. 1021-4.
2.Tang, Y.P., et al., Genetic enhancement of learning and memory in mice. Nature, 1999. 401(6748): p. 63-9.
3.Brigman, J.L., et al., Loss of GluN2B-containing NMDA receptors in CA1 hippocampus and cortex impairs long-term depression, reduces dendritic spine density, and disrupts learning. J Neurosci, 2010. 30(13): p. 4590-600.
4.Wong, J.M. and J.A. Gray, Long-Term Depression Is Independent of GluN2 Subunit Composition. J Neurosci, 2018. 38(19): p. 4462-4470.
制版︱王思珍
本文完