GluA2封闭、钙渗透性AMPA受体–可塑性诱导剂？

摘要

介绍

兴奋性突触释放谷氨酸后，两种主要的离子型谷氨酸受体，即AMPA受体（AMPAR）和NMDA受体（NMDAR），将被激活以打开其通道孔，从而使离子快速流入突触后棘。由于AMPAR只允许钠内流，与同时允许钠和钙的NMDAR相反，AMPAR仅被认为是突触电流的载体，而NMDAR通过钙负责细胞内信号传递和突触调节。

AMPAR钙通透性的缺乏来自自然界特殊的基因工程。在所有AMPAR GluA1–4亚单位基因中，在构成通道内表面的第二个膜内结构域存在一个保守的谷氨酰胺位点。在mRNA水平上，这个谷氨酰胺密码子被编辑成精氨酸，精氨酸赋予通道对钙的抗性。这种关键的mRNA编辑选择性地针对GluA2亚单位。虽然GluA2在成熟神经元的基础条件下默认组装成AMPAR复合体，但在许多脑区和突触中都检测到GluA2标记，从而检测到钙通透性AMPAR（Cp-AMPAR）[1,2]. 而Cp-AMPAR在早期发育神经元中更为显著[三]，它们也存在于成熟神经元中[4]. 很明显，Cp-AMPARs的生物发生和表面表达是动态调节的。更重要的是，越来越多的研究观察到Cp-AMPAR的动态发生及其在各种形式的突触可塑性诱导过程中的参与，包括长时程增强（LTP）和抑制（LTD），以及稳态突触可塑性[5]，强烈表明这种“异常”的AMPAR少数实际上可以在突触调节中发挥重要的正常和新的作用。

稳态塑性中的Cp-AMPAR

研究表明，当受到外部或内部扰动的挑战时，神经元能够将其活动恢复到设定的水平。这种调节，或稳态可塑性，在发育和成熟过程中对维持神经元或网络的稳定性很重要。神经元稳态反应的主要细胞指标之一是调节突触强度，主要是通过AMPAR突触积累的改变[6–10] (图1). 在中枢神经元中，研究最多的功能稳态模型是河豚毒素（TTX）引起的活动剥夺。当培养的皮层神经元与TTX一起孵育以长期阻断钠通道并沉默网络活动时，突触以补偿方式作出反应，导致突触AMPAR积累增加，突触传递强度增加[11–13]. 突触稳态可塑性或突触标度的一个关键问题是识别在活动改变期间产生的初始线索，该线索触发突触AMPAR的募集。钙作为一种游离的细胞外离子，其细胞内流与神经元活动密切相关，被认为是信号因子之一[7,9]. 然而，NMDAR介导的钙进入对Hebbian突触可塑性至关重要，而不是稳态调节所必需的[11,14]，而来自电压门控钙通道的钙仅在少数情况下与这种调节呈正相关[15].

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图1

GluA2标记AMPARs在稳态突触调节中的表达。在基础状态下（中间神经元），突触强度（用红色圆圈表示）由突触后棘的一定水平的AMPAR维持。在活动抑制期间（右），Cp-AMPAR插入突触膜，然后被含GluA2的AMPAR取代，从而增强突触强度。另一方面，神经元活动增强通过未知的信号级联导致受体数量减少，导致突触强度减弱（右）。

TTX单独或与NMDAR拮抗剂APV联合治疗可以可靠地诱导AMPAR突触积累增加，这通常通过GluA1丰度的变化得出结论。令人惊讶的是，当比较GluA1和GluA2亚基之间的变化时，经常会发现差异[16]. 在诱导稳态反应后，在GluA1而不是GluA2上增加AMPAR表达更可取[14,16,17]，这可能导致生成GluA2标记的AMPAR。为了支持这一观点，AMPAR介导的电流显示内向整流，并对Cp-AMPAR特异性拮抗剂敏感，如Phythonotoxin-433（PhTx）或Naspm[14,16–19]. 事实上，在长期与PhTx孵育的神经元中，稳态突触调节被阻断[19]. 有趣的是，在最近确定的稳态突触可塑性介质中，包括肿瘤坏死因子α（TNFα）、维甲酸、Arc/Arg3.1和整合素β3，大多数能够导致GluA1和GluA2调节失衡以及Cp-AMPAR表达。胶质源性TNFα是第一个被鉴定为介导TTX诱导的突触缩放的信号分子。TNFα可以模拟TTX效应，TNFα的敲除消除了非活动依赖的体内稳态调节[20]. 已知TNFα可导致缺乏AMPAR的GluA2快速膜插入[21,22]，尽管他们参与TNFα介导的突触标度尚未直接确定。在维甲酸介导的突触标度中，AMPAR表面表达的增加是GluA1特异性的，并且PhTx也可以消除EPSC中的稳态反应，这表明GluA1同源AMPAR的掺入[17]. 在Arc/arg3.1介导的稳态调节中也观察到AMPAR亚基的不平衡调节。Arc/arg3.1的敲除导致AMPAR介导的mEPSC的典型突触标度。有趣的是，Arc/arg3.1敲除神经元显示GluA1表面表达显著增加，而GluA2表面无变化[23]，表明膜中添加了GluR2标记，可能是GluA1同源AMPAR。为了支持共同的潜在机制，Arc/arg3.1依赖性突触调节阻断了TTX诱导的稳态调节[23]. β3整合素也被证明是TTX依赖性突触标度的必要成分。β3粘附的破坏诱导了GluA2的内化，而不是GluA1亚单位，使GluA1为主的GluA2标记AMPAR留在细胞表面。与β3整合素在突触缩放中的作用一致，TTX增加β3整合素表面表达，β3整整素敲除消除TTX依赖的稳态突触可塑性[24]支持整合素作为非活动依赖性体内平衡调节的介质。在这个特定的范式中，Cp-AMPAR的作用不太清楚，尽管它似乎阻止了突触的缩放。作为一种假设，在TTX沉默开始时，β3活性可能会短暂下降，以允许少量Cp-AMPAR，随后β3整合素表达增加和AMPAR积累。

Hebbian塑性中的Cp-AMPAR

在基底外侧杏仁核中间神经元的兴奋性输入端，AMPAR显示出纠正的电流-电压关系，表明Cp-AMPAR的表达。破伤风刺激在这些输入下诱导的LTP需要突触后钙升高，但与NMDAR和电压门控钙通道无关[25]. 重要的是，Cp-AMPAR也与海马LTP有关[26–29]. 在CA1锥体神经元，LTP协议诱导快速但通常是短暂的GluA2标记AMPAR掺入，这是LTP启动和/或稳定所必需的。由于LTP的稳定表达是基于插入传统的含GluA2的AMPAR，因此Cp-AMPAR的早期表达可能通过AMPAR门控钙发挥信号成分的作用。LTP表达对Cp-AMPARs的需求与年龄有关。年轻（2周内）和成熟（8周以上）神经元中的LTP都需要Cp-AMPAR，但在年龄介于两者之间的神经元中不需要，可能是由于PKA活性和GluA1磷酸化的耦合作用[27]. 然而，尽管越来越多的证据表明Cp AMPAR参与了LTP，但一些仔细执行的研究确实表明，在检测LTP突触中Cp AMPAR的表达方面失败了[30,31]. 确切的原因尚不清楚，但有人认为，这种差异可能是由于记录条件（NMDARs在记录过程中是否被阻断）引起的，或者是由于动物的年龄，因为LTP对Cp-AMPAR的依赖性在发育过程中会发生变化[27]. 由于升高的AMPAR突触表达是LTP和沉默诱导的稳态可塑性的基础，因此很有兴趣假设Cp-AMPAR依赖性钙信号可能与AMPAR表面靶向机制耦合。为了支持这一点，GluA2基因敲除动物海马CA1突触中LTP的表达需要Cp-AMPAR活性和突触后钙，并被突触后注射破伤风毒素阻断以抑制囊泡融合[29]提示存在Cp-AMPAR介导的AMPAR膜插入。关于Cp-AMPAR从突触中的移除，我们知之甚少，但它们可能是选择性内化的靶点[32]或者简单地从突触外侧扩散，可能是通过非突触机制将受体与其突触后相关蛋白分离(图2).

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图2

Cp AMPAR的瞬时表达用于Hebbian LTP的诱导。在LTP刺激开始时，GluA2标记的AMPAR从附近的树突轴被招募到突触区域。来自Cp-AMPAR和NMDAR的钙触发信号级联，导致含GluA2的AMPAR的膜插入，而Cp-AMPA通过受体内化从细胞表面去除。

除神经元突触外，Cp-AMPAR还被证明在某些神经-胶质传递中调节突触可塑性。刺激海马CA1区NG2胶质细胞的Schaffer侧支输入诱发典型的LTP[33]. 因为胶质突触不表达NMDAR，所以这种胶质LTP是NMDAR依赖性的，但需要Cp-AMPAR和钙。与CA1突触不同，在基础状态下，NG2突触既包含GluA2标记的AMPAR，也包含GluA2-标记的AMPA，但缺少NMDAR成分。通过θ突发刺激的LTP协议导致突触电流校正增加，因此突触Cp-AMPAR积累水平更高[33]. 因此，在这种情况下，Cp-AMPARs的信号传导导致随后插入相同的GluA2-lacking，而不是正常的GluA2受体。

在3周龄的幼鼠中，海马苔藓纤维和CA3锥体神经元之间的突触同时含有GluA2和Cp-AMPAR，后者的表达需要PICK1[34]. 在这些突触中，去极化诱导的LTD需要Cp-AMPAR，因为在不表达Cp-AMPA的PICK1基因敲除动物中，不能诱导LTD。有趣的是，LTD的表达可能是由于受体内吞作用选择性地清除Cp-AMPAR所致[34]. 可卡因成瘾动物腹侧被盖区多巴胺能神经元中也观察到Cp-AMPARs作为LTD底物的使用[35,36]. 目前尚不清楚Cp-AMPAR是否作为信号分子，以及Cp-AMPA在其他突触或脑区LTD中的应用有多广泛。

突触Cp-AMPAR在可塑性诱导中的短暂存在

在许多情况下，Cp-AMPARs的表达在活动操纵的早期阶段似乎是短暂的，只需要用于诱导，而不是维持突触可塑性(图1和​和2）。2). 在海马CA1神经元中，LTP刺激可诱导仅在短时间内存在的校正AMPA电流。LTP诱导20分钟后，电流整流恢复到控制水平。在LTP刺激期间和之后不久施用PhTx会阻止LTP表达。相反，刺激20分钟后，当LTP被诱导时，应用PhTx不再影响LTP[26]. 在另一项研究中也观察到类似的时间进程，其中Cp-AMPAR在突触上只存在10分钟[28]. 在稳态突触调节中，Cp-AMPAR的表达也仅限于活动抑制的开始[16,19]. 然而，在稳态可塑性中，表面Cp-AMPAR的表达明显延长（24小时）[16,19]与LTP相比（少于30分钟）[26,28].

GluA2锁存切换到含GluA2的AMPARS

Cp-AMPAR活性下游的信号级联对启动可塑性反应至关重要，但突触可塑性的实际表达主要由传统的GluA2受体介导(图1和​和2）。2). 之前已观察到此开关。在Cp-AMPAR调节的最佳研究模型中，小脑星状细胞的突触AMPAR在基础条件下奇怪地被GluA2阻滞。引人注目的是，突触激活诱导缺乏GluA2的受体迅速清除，同时添加含有GluA2的受体[37]. AMPAR亚型转换的更多证据来自LTP研究。LTP刺激诱导的Cp-AMPAR很快被PhTx不敏感的GluA2受体取代[26,28]. 有趣的是，LTP刺激方案后的活动暂停导致强大的、看似正常的LTP，除了突触电流对PhTx保持高度敏感外，这表明如果突触上新定位的Cp-AMPAR没有持续激活，受体就无法被正常的AMPAR取代，导致仅由GluA2标记的AMPAR表达的增强[26,28]. 因此，开关由Cp-AMPAR自身自动调节。Cp-AMPAR活性的需求强烈表明AMPAR门控钙的作用。虽然在LTP范式中没有直接研究，但在小脑星状细胞中，向GluA2受体的转换确实需要通过Cp-AMPAR进行钙内流，但NMDAR的活性和钙通道都没有[37]. 有趣的是，亚单位转换也发生在正常神经元发育过程中。在皮层神经元中，至少有一部分突触AMPAR在出生后的前两周内被GluA2标记，随后被转换为含有GluA2亚单位的常规受体[三,38,39].

在稳态调节中也观察到Cp-AMPAR的替代。在TTX/APV孵育的12小时内，增强的AMPAR mEPSCs被Naspm显著抑制。然而，在24小时不活动后，当mEPSC内的稳态增强保持不变时，突触电流对Naspm失去了很大的敏感性[16]. 类似地，在活动被长期抑制的单个突触上，只有在突触抑制的早期应用PhTx时，体内稳态AMPAR积累才会被消除。当在突触抑制一天后使用时，PhTx不再产生任何作用[19]. 除了活动阻断外，当用TNFα（一种公认的突触尺度调节介质）治疗时，神经元在早期表现出Cp-AMPAR的表面表达迅速增加，随后GluA2受体增加[22]. 类似地，当特异性监测GluA2的表达时，与早期治疗期间的适度变化相比，在TNFα孵育的后期，其表现出更强劲的增加，这与GluA2受体的延迟表达一致[24]. 因此，AMPAR亚基组成需要沿着稳态可塑性的时间过程从早期GluA2标记转变为晚期GluA2含量。事实上，siRNA对GluA2的敲低完全阻断了突触尺度的表达，表明最终需要GluA2受体[40].

突触可塑性中Cp-AMPAR的来源

在受体的生命周期中，GluA2标记的AMPAR可能在多个位点产生。推测，在受体组装期间，AMPAR亚单位的组成可以在ER处改变[41–43]其中GluA2选择性地从受体复合体中移除，或GluA2标记受体优先从内质网释放以进行表面靶向。然而，考虑到AMPAR易位在突触可塑性中的关键作用，Cp-AMPAR更可能是通过调节其动态运输而形成的。与突触后蛋白的结合容易调节AMPAR亚细胞定位和亚单位组成。因此，细胞表面GluA2可以通过其与PICK1和GRIP的细胞内相互作用而改变[44,45,46]. PICK1相互作用促进AMPAR内吞[47–49]并选择性地从细胞表面去除含GluA2的AMPAR，从而产生对PhTx敏感的整流性突触电流[44,50]. 在TTX诱导的稳态调节过程中，神经元的不活动可能调节GluA2-PICK1的相互作用，导致GluA2的去除。与这种可能性一致的是，当GluA2的C末端（而不是GluA1）过度表达，从而可能破坏GluA2 C末端的相互作用时，突触尺度被完全取消[40]. 然而，PICK1的参与似乎很复杂，并且具有细胞类型特异性。在小脑平行纤维星状突触，PICK1在活性诱导的含GluA2的AMPAR递送中是必需的[45,46]. 除了从表面特异性地去除GluA2外，细胞内缺乏GluA2的受体可以直接插入质膜，例如在AMPAR抑制期间[14]和TNFα刺激[22].

突触型Cp-AMPAR也可能通过侧向迁移从邻近的树突状细胞质膜中募集(图2). 在基础条件下，不到10%的AMPAR以GluA2标记存在[4]广泛分布于树枝状竖井[51]，避免突触部位[52]. 突触激活已被证明可抑制AMPAR从突触结构域向外横向扩散[53]. 作为镜像过程，突触外树突膜上的Cp AMPAR储备池可能横向进入突触。在海马CA1神经元，通过配对脉冲刺激或单次刺激结合谷氨酸转运体抑制剂，可以在突触周围区域检测到对PhTx敏感的AMPAR，从而使谷氨酸溢出[32]. 在LTP刺激后立即观察到突触周围区域的Cp-AMPAR，然后这些Cp-AMPA转移到突触中[28,52]. 这些Cp-AMPAR可能是通过CaM-激酶I信号途径通过树突状池横向扩散进入突触结构域而募集的[52]尽管不能排除直接插入膜。在另一项研究中也观察到类似的过程，在LTP刺激期间的输入激活将Cp-AMPAR从树突状轴招募到突触周围和随后的突触域[27]. 与先前存在的cp-AMPAR侧向募集到LTP突触相一致，在出生后第14天左右发生了对GluA2相关AMPAR的钙通透性发育转换[三]，当LTP属性从Cp依赖变为独立时[27]. 关于Cp-AMPAR的表面稳定性尚不清楚，但GluA1磷酸化状态已被证明是一个决定因素。丝氨酸845处的GluA1去磷酸化导致GluA2标记的AMPAR内化并可能随后降解[32]. 与这一发现一致，在恐惧条件诱导的杏仁核外侧神经元突触增强中，GluA1丝氨酸845磷酸化位点是Cp-AMPARs细胞表面表达所必需的[54].

Cp-AMPAR生物发生的信号尚不清楚。在稳态诱导中，TTX和/或AMPAR和NMDAR拮抗剂导致电压门控钙通道和NMDARs的活性被阻断，导致钙升高的显著降低。鉴于已知钙信号参与AMPAR贩运[55]突触可塑性；很有意思的是，假设NMDAR或/和钙通道门控钙内流下降[14]触发Cp-AMPAR表达式。此外，其他稳态分子如TNFα、维甲酸、Arc/Arg3.1和β3整合素的活性依赖性表达也可能启动信号级联，最终导致Cp-AMPAR的形成。

结论

新的证据表明，GluA2标记的AMPAR在突触可塑性早期短暂表达，提示Cp-AMPAR依赖性信号在突触调节的启动中起着重要作用[56]. Cp-AMPAR的一个关键作用似乎是启动含GluA2的AMPAR横向募集或插入的信号传导，导致常规GluA2受体的转换和突触积累增加。Cp-AMPARs的瞬时表达可能对信号的时间精确性很重要，但显然也是避免因AMPAR门控钙内流过载而导致神经元兴奋性毒性的必要措施，而钙内流是缺血/中风诱导神经元死亡病理学的关键步骤[57–59]和神经变性疾病[60]. 除了Cp-AMPARs在Hebbian和稳态突触可塑性中的作用外，越来越多的证据也表明Cp-AMPA参与病理性突触可塑性。在小脑星状细胞中，GluA2-lacking AMPAR可以被恐惧诱导刺激关闭[60]或在服用可卡因期间快速表达[36,61]和恐惧条件反射[54]以及因长期吸食可卡因后的药物渴求行为而被要求服用[61].

也许最令人困惑的问题是，既然NMDAR介导的钙已被牢固确立为关键的介质，为什么AMPAR门控钙在突触可塑性中至关重要。由于Cp-AMPAR具有较高的通道电导[62]，它们的突触存在可导致更强的突触后去极化，导致通过NMDAR和钙通道的钙内流增强，当与Cp-AMPAR中的钙结合时，可能构成不同复杂性的钙升高。此外，AMPAR门控钙可能具有明显的脊髓内分隔作用[63,64]这使得它能够激活一组新的信号分子。像NR2A和NR2B包含的NMDAR一样，它们在突触定位方面有不同的偏好，并与不同的信号通路耦合[65–67]，Cp-AMPAR可能分布在远离NMDAR和含GluA2的AMPAR的突触后结构域的离散位点。因此，了解Cp-AMPAR的亚突触体定位和识别Cp-AMPA通道活性下游的新型信号级联是非常重要的。

致谢

脚注

参考文献和推荐阅读