NPP︱陆伟团队揭示GABAA受体辅助亚基磷酸化修饰调控神经行为的新机制

撰文︱吴坤伟

责编︱王思珍

制版︱查佳雪

γ-氨基丁酸（GABA）是神经系统中重要的抑制性神经递质，在控制神经元兴奋性上发挥重要作用。脑内GABA主要作用在GABA_A受体上产生快速抑制性突触传递。GABA_A受体是一种由五个亚基组成的配体门控离子通道，绝大多数的快速抑制性突触传递是由突触内含有α1–3的GABA_A受体介导，而含有α4-6的GABA_A受体主要分布于突触周围和突触外膜介导紧张性抑制[1, 2]。越来越多的证据表明，GABA能突触传递异常与神经发育障碍性疾病相关[3-5]。因此，了解GABA能突触传递调控的分子机制至关重要。

近日，美国国立卫生研究院（NIH）陆伟团队在Neuropsychopharmacology上发表了题为“Shisa7 phosphorylation regulates GABAergic transmission and neurodevelopmental behaviors”的研究论文。该研究揭示了GABA_A受体辅助亚Shisa7磷酸化修饰调控GABA能突触传递和神经行为的新机制。NIH高级研究员陆伟为通讯作者，博士后吴坤伟和瑞恩为共同第一作者。

陆伟团队之前发现了一种新的GABA_A受体辅助亚基Shisa7[6]。Shisa7是一种单次跨膜蛋白，它可以调节GABA_A受体转运、通道动力学和药理学特性[6]。Shisa7胞内段上405位点的丝氨酸可以被蛋白激酶A磷酸化，从而参与调节突触外GABA_A受体介导的紧张性抑制[7]。然而，该位点磷酸化在抑制性突触传递、抑制性突触可塑性和神经行为中的作用仍然未知。

这项研究中，作者首先在HEK293T细胞中表达GABA_A受体α2β3γ2以及野生型（Shisa7）、模拟磷酸化突变Shisa7（S405D）或非磷酸化突变Shisa7（S405A），通过免疫荧光染色发现，与Shisa7和S405D比较，S405A抑制细胞膜上GABA_A受体表达，电生理记录发现S405A抑制GABA引起的全细胞电流。同时作者通过免疫共沉淀实验证明S405A不影响Shisa7与GABA_A受体的结合，这表明S405A抑制GABA_A受体转运不是由于其不能与受体结合导致。

图1 Shisa7 S405A减少细胞膜表面 α2-GABA_A受体表达； Shisa7 S405A降低GABA引起的全细胞电流；Shisa7 S405A可以与GABA_A受体结合。

（图源：Wu et al., Neuropsychopharmacol, 2022）

接下来作者构建了405位点非磷酸化突变小鼠（Shisa7 S405A）。通过免疫荧光染色发现突变小鼠α1/α2/α5-GABA_A受体在培养的海马神经元细胞膜上表达减少。通过对培养的海马神经元和急性分离的海马脑片进行电生理记录发现，突变小鼠GABA能突触传递减弱，这些结果进一步明确了Shisa7 S405磷酸化对GABA_A受体转运和GABA能突触传递的调控作用。研究表明抑制性突触具有活动依赖性可塑性，并且这种可塑性依赖于细胞膜表面的GABA_A受体的转运[8, 9]，因此作者推测Shisa7 S405磷酸化也可以调控抑制性突触可塑性。通过NMDA诱导GABA能突触长时程增强（iLTP）实验，作者发现突变小鼠的iLTP受损，这一结果揭示了一种新的依赖Shisa7 S405的抑制性突触可塑性调控机制。

图2 Shisa7 S405A突变小鼠的抑制性长时程增强受损。

（图源：Wu et al., Neuropsychopharmacol, 2022）

在系统水平上，作者通过行为学分析发现，突变小鼠虽然没有认知功能障碍和抑郁样行为，但是表现出多动、过度自我梳理和睡眠稳态受损的神经行为障碍，这些表现是多动症、孤独症和强迫症中常见的内表型。这些数据提示我们，Shisa7 S405磷酸化异常引起抑制性突触传递受损，可能导致多动症、孤独症和强迫症等神经系统发育障碍性疾病。

图3 Shisa7 S405A突变小鼠表现为多动、过度自我梳理和睡眠稳态受损。

（图源：Wu et al., Neuropsychopharmacol, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

这一研究发现Shisa7 S405位点磷酸化调控GABA_A受体转运、GABA能突触传递及可塑性，该位点磷酸化缺失引起多动、过度自我梳理、睡眠稳态受损神经行为障碍。此项工作揭示了一种新的调节抑制性突触传递的翻译后修饰机制和一种新的抑制性突触可塑性调控机制。此外，该研究有助于我们在分子水平上理解GABA能突触如何参与多动症、孤独症和强迫症等神经系统发育障碍性疾病的发生。

值得注意的是，Shisa7不仅可以在海马兴奋性锥体神经元中表达，也可以在不同类型的抑制性中间神经元中表达，并且不同脑区Shisa7的表达也存在差异[6, 10]，因此Shisa7 S405 磷酸化的脑区特异性和细胞类型特异性作用仍有待探究。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41386-022-01334-0

NIH高级研究员陆伟为通讯作者，博士后吴坤伟和瑞恩为共同第一作者。

第一作者吴坤伟（左），通讯作者陆伟（右）

（照片提供自：陆伟实验室）

实验室简介及招聘（上下滑动阅读）  

Synapse and Neural Circuit laboratory at NINDS, NIH.

Our central goal is to understand actions of molecules in the brain in the context of synapses, circuits and behaviors. Currently we are using GABAergic synapses in rodents as the model system to discover novel molecules that play critical roles in regulating inhibitory transmission, plasticity, and behavior. We are also interested in taking advantage of molecular signaling and pathways that we have discovered to reverse the devastating effect of brain illness on synapses and animal behaviors.

A postdoc position is available.

Lab website:  https://research.ninds.nih.gov/researchers/faculty/wei-lu-phd. 

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参考文献（上下滑动阅读）  

1.D. Belelli et al., Extrasynaptic GABAA receptors: form, pharmacology, and function. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 29, 12757-12763 (2009).

2.M. Farrant, Z. Nusser, Variations on an inhibitory theme: phasic and tonic activation of GABA(A) receptors. Nat Rev Neurosci 6, 215-229 (2005).

3.E. Lee, J. Lee, E. Kim, Excitation/Inhibition Imbalance in Animal Models of Autism Spectrum Disorders. Biological psychiatry 81, 838-847 (2017).

4.R. M. Hines, P. A. Davies, S. J. Moss, J. Maguire, Functional regulation of GABAA receptors in nervous system pathologies. Curr Opin Neurobiol 22, 552-558 (2012).

5.S. Braat, R. F. Kooy, The GABAA Receptor as a Therapeutic Target for Neurodevelopmental Disorders. Neuron 86, 1119-1130 (2015).

6.W. Han et al., Shisa7 is a GABAA receptor auxiliary subunit controlling benzodiazepine actions. Science 366, 246-250 (2019).

7.K. Wu, W. Han, Q. Tian, Y. Li, W. Lu, Activity- and sleep-dependent regulation of tonic inhibition by Shisa7. Cell reports 34, 108899 (2021).

8.B. Luscher, T. Fuchs, C. L. Kilpatrick, GABAA receptor trafficking-mediated plasticity of inhibitory synapses. Neuron 70, 385-409 (2011).

9.P. E. Castillo, C. Q. Chiu, R. C. Carroll, Long-term plasticity at inhibitory synapses. Curr Opin Neurobiol 21, 328-338 (2011).

10.         A. Zeisel et al., Brain structure. Cell types in the mouse cortex and hippocampus revealed by single-cell RNA-seq. Science 347, 1138-1142 (2015).

本文完