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神经科学杂志。2006年2月8日;26(6): 1776–1786.
数字对象标识:10.1523/JNEUROSCI.2651-05.2006
预防性维修识别码:PMC6793635型
PMID:16467526

脑桥蛋白延缓脊柱成熟

摘要

树枝状丝状伪足是高度动态结构,形态成熟于脊椎的树枝状丝状伪足与稳定和突触在发育过程中的强化。在此,我们报告端脑磷脂(TLCN)细胞粘附分子属于免疫球蛋白超家族,是脊椎的负调节因子成熟。使用培养的海马神经元,我们检查了详细的定位和TLCN在脊椎发育和突触发生中的作用。在早期阶段突触发生,TLCN免疫反应逐渐增强,并存在于树突中轴和丝状体。在后期,TLCN往往被排除在成熟脊柱之外PSD-95(突触后密度-95)簇与突触前簇相对应的突触突触素簇。为了阐明TLCN在脊柱成熟中的作用,我们分析了TLCN过度表达和TLCN缺乏神经元的树突形态。过度表达TLCN引起树突丝状伪足密度急剧增加,并伴随脊椎密度降低。相反,TLCN缺乏小鼠表现出减少丝状足密度与脊柱成熟的加速在体外作为以及体内这些结果表明,TLCN通常减缓脊椎运动通过促进丝状伪足的形成和负向调节丝足到脊椎的过渡。此外,我们发现成熟神经元的脊椎头部与野生型小鼠相比,TLCN缺乏小鼠的范围更广。因此TLCN的未成熟突触可能是完善功能神经的必要步骤端脑中负责大脑高级功能的电路,如学习、记忆和情感。

关键词:端脑蛋白、细胞粘附分子、突触发生、树突状丝状体、脊椎、海马

介绍

在哺乳动物的大脑中,90%以上的兴奋性突触发生在树突棘上树突上的球状突起(哈里斯和凯特,1994). 脊椎的形状取决于动物在发育过程中的经验以及成年人的大脑(Lendvai等人,2000年;Trachtenberg等人,2002年;Zuo等人,2005年). 例如海马体伴随着脊椎形态的改变和新脊椎的形成(Engert和Bonhoeffer,1999年;Maletic-Savatic等人,1999年;托尼等人1999年;松崎等人,2004年).此外,树突状突起的结构异常与多种包括脆性X和唐氏综合征在内的神经系统疾病(Irwin等人,2000年;考夫曼和莫瑟,2000).

在发育过程中,树突丝状伪足出现后出现棘,这是薄、长、无头突出物(Saito等人。,1992;Fiala等人,1998年;Lendvai等人,2000年). 有人建议树突状丝状伪足是脊椎的前身,尽管其确切的细胞机制脊柱的形成仍有争议(尤斯特和邦霍弗,2004年). 丝足类是高度能动的结构,可能发挥重要作用在轴突-树突接触的初始形成中的作用。此后,丝状伪足在形态和功能上似乎转变为成熟的脊椎(Ziv和Smith,1996年).

在过去的十年中,积累了大量有关功能分子的知识脊椎的形成、维持和重塑(Hering和Sheng,2001年). 特别是一些细胞识别/粘附分子已被鉴定为脊柱形态发生的调节因子,Ephs/ephrins和syndecan-2(埃塞尔和山口,1999;Murase等人,2002年;Togashi等人,2002年;Murai等人,2003年;Abe等人,2004年). 然而,与脊椎相比,对分子和细胞机制知之甚少树突丝状伪足的形成和维持。

脑桥蛋白(TLCN)[细胞间粘附分子5(ICAM-5)]是一种细胞粘附属于Ig超家族的分子(吉原和莫里,1994;Yoshihara等人,1994年)和显示了与在免疫系统中具有关键功能的ICAM的最高同源性(Hayflick等人,1998年). TLCN在神经元中表达端脑内(Mori等人,1987年;Oka等人,1990年),具体本地化到树突而不是轴突(Benson等人,1998年;Mitsui等人,2005年). 许多TLCN表达神经元熊棘,如嗅球颗粒细胞、海马和新皮质锥体细胞和纹状体中棘神经元(村上等人。,1991;樱井等人,1998年)(数据不如图所示)。TLCN的表达受发育调控,因为其外观与个体端脑的树突状延伸、脊椎形成和突触发生出生后的区域(Mori等人,1987年;Imamura等人,1990年;Yoshihara等人,1994年).

这些累积的证据表明TLCN可能在树突中起作用形态发生。在这里,我们检测了TLCN在海马树突中的详细定位神经元及TLCN功能获得和丧失对神经元形态学的影响树突突起。结果表明,TLCN是树枝状丝状伪足的形成和维持及第一例细胞表面减缓脊椎成熟的分子。

材料和方法

动物。

之前曾报道过TLCN缺乏小鼠的产生(Nakamura等人,2001年). 杂合F1动物回交到C57BL/6J小鼠通过>10代。以C57BL/6J小鼠为对照品系。基因分型采用尾部DNA PCR,使用两对针对野生型和TLCN缺乏等位基因。正向引物(TLCN-550,5′-CATCCTCACATTCCCTCTTAGAACCACAT-3′;位于TLCN基因)用于检测野生型和突变等位基因。两个反向引物用于检测野生型等位基因(TLCN-8,5′-GTGTGGCAGAGAGTGGGGAAGAGAGAGA-3′;第一个内含子中的序列)或突变等位基因(CreR-3,5′-GTTCGAACGCTGAGCCTGTTGCACGTT-3′;aCre重组酶中的序列)。

DiI标签。

老鼠(n个=每种基因型3个)戊巴比妥并在PBS中灌注4%多聚甲醛(PFA)。大脑被移除从头骨上取下并固定。固定的大脑在100μm处用震动体(日本京都,Dosaka)和DiI小晶体(尤金,分子探针,使用玻璃将OR)放置在海马CA1锥体细胞层上微量移液管。注射DiI后,将切片在固定剂中培养在4°C下12–48小时,按如下所述拍摄共焦图像。这个带有少量标记神经元的区域用于树突分析形态学。五个50μm的顶端树突段,位于放射层是从单个动物身上采集的,用于形态学研究分析。

抗体。

使用的抗体如下:兔多克隆抗TLCN识别TLCN的细胞质尾肽(1:5000)(樱井等1998年); 识别细胞外表位的小鼠单克隆抗TLCN仅兔子TLCN(克隆271A6;1:3000)(莫里等人al.,1987年); 识别细胞外基质的豚鼠多克隆抗TLCN/FcTLCN区域(1:3000)(S.Mitsui、M.Saito、K.Mori和Y.Yoshihara,未出版观察);大鼠单克隆抗αN-连环蛋白(1:1;M.Takeichi的礼物,RIKEN发育生物学中心,日本神户);小鼠单克隆抗体抗神经丝(克隆2H3;1:3000;美国研究产品公司,马萨诸塞州贝尔蒙特);鼠标单克隆抗微管相关蛋白2(MAP-2)(克隆AP20;1:500;Chemicon,加利福尼亚州特梅库拉);大鼠单克隆抗绿色荧光蛋白(GFP)(克隆GF090R;1:500; Nacalai Tesque,日本京都);小鼠抗巴松单克隆抗体(克隆SAP7F407;1:100; StressGen生物技术公司,加利福尼亚州圣地亚哥);小鼠单克隆抗谷氨酸受体2(GluR2)(MAB397;1:500;Chemicon);小鼠单克隆抗GABA受体β链(MAB341;1:100;Chemicon);小鼠单克隆抗突触后突触密度-95(PSD-95)(克隆7E3–1B8;1:100;亲和生物试剂,Golden,CO);兔多克隆抗突触素(1:10;佐米德,加利福尼亚州旧金山);鼠标单克隆抗CD8(克隆HIT8a;1:100;BD PharMinen,加利福尼亚州圣地亚哥);和鼠标单克隆抗钙调蛋白依赖性蛋白激酶IIα(CaMKIIα)[克隆6G9(2);1:200; 化学图标]。Alexa荧光染料(Alexa488、Alexa568和Alexa647)共轭抗鼠、抗兔、抗豚鼠和次级抗鼠抗体(分子探针)的浓度为6.7μg/ml。

用于三重免疫荧光标记,兔抗TLCN和抗突触素用Alexa Fluor荧光染料直接标记多克隆抗体根据制造商的说明标记试剂盒(分子探针)并与其他抗体联合使用。

细胞培养。

小鼠海马神经元培养物的制备基本如前所述(Okabe等人,1999年,2001). 从胚胎第17天的小鼠和用0.25%胰蛋白酶分解(Invitrogen,加利福尼亚州圣地亚哥)。细胞在5000–7000个细胞/cm的密度2关于多晶硅--赖氨酸涂层盖住眼镜。它们保存在含有B27补充剂、5%胎牛的MEM中血清和0.5米谷氨酰胺(Invitrogen)。

DNA构建和转染。

按标准构建兔TLCN缺失突变体和CD8/TLCN嵌合cDNA分子生物学技术。所有结构都被亚克隆到哺乳动物体内含有强大且普遍存在的CAG启动子的表达载体(pCAGGS)(Niwa等人,1991年). 有关详细分析树突状形态,尤其是树突状丝足和棘,超增强GFP和维纳斯(日本和谷市RIKEN脑科学研究所a.Miyawaki赠送的礼物)GAP-43的棕榈酰化信号被用作膜靶向荧光记者。

通过使用微型注射器(FemtoJet;德国汉堡Eppendorf)。转染后,神经元培养24-48h后进行免疫染色。

免疫细胞化学。

在大多数情况下,培养的海马神经元用1%PFA固定3分钟−30°C甲醇15分钟,用于巴松管和GABA受体免疫染色和GFP荧光,神经元用4%PFA固定15在0.25%Triton X-100中渗透并用5%正常山羊阻断后的最小值血清、神经元在4°C的一级抗体中孵育过夜用Alexa Fluor染料结合二级抗体观察。

显微镜。

使用TCS SP2(德国莱卡、努斯洛赫)和Fluoview FV1000(日本东京奥林巴斯)共焦激光扫描显微镜。对于可视化包含TLCN、αN-catenin、PSD-95和突触素免疫反应,捕获单个光学切片。对于树突突起(丝状伪足和棘)的定量分析,Z堆叠图像以0.6μm的间隔采集,最大图像投影到XY平面。所有用于定量的树突状图像均采用100倍物镜拍摄镜头、2倍数码变焦和相同的采集设置。

图像分析和量化。

如前所述进行定量(Ethell等人,2001年;Pak等人。,2001;Sala等人,2001年)和一些修改。从至少三个神经元中随机采集了10多个神经元每个构建或开发时间点的独立实验。突触近端二至三个树突节段中的簇和突起(~50μm(每个节段);总长度>100μm)单个神经元,因为突触成熟的速度在树突近端和远端(Rao等人。,1998). 当PSD-95簇显示至少0.15μm与突触素簇,这种结构被认为是“突触集群。”如果TLCN或αN-catenin簇与突触PSD-95簇的一半区域,被视为TLCN或αN-catenin阳性突触簇。树突棘和丝状伪足根据以下标准分类:脊椎被定义为0.5–1.5μm长,具有明显的蘑菇状头部和丝状伪足被定义为长度超过1.5μm的无头丝状突起。较大时超过一半的突起区域含有TLCN免疫反应定义为TLCN-阳性丝状伪足或棘(参见图。). 隐藏的脊椎和丝状伪足,突出在后面或前面光学平面未计算在内。突触PSD-95簇和树突密度突起以每10μm树枝状长度的数目表示。脊柱如前所述,使用Z堆叠DiI或GFP图像测量长度和宽度以前(Pak等人,2001年).

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树突丝状伪足中TLCN的丰富表达。A–F,培养的海马神经元在10、15和22 DIV下用抗TLCN抗体进行免疫染色。B类,D类,F类、GFP荧光(绿色)和TLCN免疫标记(品红色)。TLCN位于许多树突丝状伪足上(B类,D类,箭头)还有一些刺(D类,箭头)以及树状轴早期阶段(10和15 DIV)。TLCN逐渐从成熟中排除后期的蘑菇状棘(22 DIV)(F类,箭头)。比例尺,2μm。G公司,密度不同发育阶段的树枝状丝状伪足和棘。填充的条形图表示TLCN阳性树突状突起。柱状图显示平均值±每个发育时间点10个神经元的扫描电镜。在发展的各个阶段,含有TLCN的树枝状丝状伪足的百分比显著高于脊椎(双尾t吨测试*第页< 0.05;**第页< 0.01).

结果

TLCN缺乏小鼠树突状突起的形态学异常

TLCN的树突特异性表达促使我们比较树突形态野生型和TLCN缺乏小鼠之间的端脑神经元。因此,我们注意到树突状突起的细微但显著的形态学异常TLCN缺乏小鼠。野生型和野生型海马CA1锥体神经元用DiI标记TLCN缺乏小鼠,树突状丝状伪足和对树突顶端的棘进行定量。出生后第7天(P7)脊髓发生发生在海马CA1区(Fiala等人,1998年)野生型小鼠海马神经元丰富有细长的树突丝状突起,称为树突丝足(图1,箭头)。密度野生型小鼠树突状丝状伪足的数量高于脊椎的数量(图1C类,打开酒吧)。相比之下TLCN缺乏小鼠的大多数树突状突起已经是同一脊髓阶段(图1B类,C类,填充条)。

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TLCN缺乏的海马脑片树突状突起的形态学改变。,B类,两个DiI-标记的CA1锥体神经元顶端树突的代表性图像野生型()和TLCN缺陷(B类)P7小鼠。比例尺,4μm。箭头,树枝状丝状伪足;箭,刺。C类,密度野生型小鼠CA1锥体神经元顶端树突上的丝状体和棘(□;n个=3)和TLCN缺乏小鼠(▪;n个=3)第7页。注意,TLCN缺陷的神经元显示丝状伪足密度显著降低,棘密度显著升高。*第页< 0.05, **第页<0.01(双尾t吨测试)。D类,E类,两幅有代表性的树突顶端图像DiI-标记的野生型CA1锥体神经元(D类)和TLCN缺乏(E类)成年期小鼠(10只周)。比例尺,3μm。F类,密度野生型CA1锥体神经元顶端树突上的丝足和棘(□)和TLCN缺乏(▪) 成年期小鼠。在以下方面没有差异野生型小鼠树突状突起密度观察(n个=3)和TLCN缺乏小鼠(n个= 3).G公司,脊柱长度的累积频率图成年CA1神经元。两组之间的脊柱长度分布没有差异野生型和TLCN缺乏小鼠。H(H),平均脊柱TLCN缺乏小鼠和野生型小鼠的成年CA1神经元长度相当老鼠。,尖头累积频率图成年CA1神经元的宽度。较宽脊椎的比例明显更大TLCN缺乏小鼠比野生型小鼠(Kolmogorov–Smirnov试验;第页< 0.01).J型,平均脊柱TLCN缺乏小鼠成年CA1神经元的宽度明显大于TLCN缺失小鼠野生型小鼠(双尾t吨测试**第页< 0.01).G–J型,野生型小鼠:n个=3567根棘;TLCN缺乏小鼠:n个=3552根脊椎。误差线表示SEM。

在成年小鼠中,几乎所有树突状突起都是野生型和TLCN缺乏神经元(图。1D类-1F类). 然而,脊柱头部的宽度TLCN缺乏小鼠显著增大(图。1,J型),而在野生型和突变型小鼠的脊髓长度(图。1G公司,H(H)). 这些结果表明TLCN调节发育中和成熟大脑中树突状突起的形态。

TLCN在树突丝状伪足中高度表达

为了研究TLCN在突触发生过程中的详细定位和功能,我们使用了在随后的实验中培养海马神经元。首先,免疫细胞化学第14天用抗TLCN抗体对培养的神经元进行染色在里面体外(DIV)。TLCN仅限于MAP-2阳性的体脂素隔间(图2)但缺席来自神经丝阳性轴突室(图。2F类),确认我们之前的报告(Benson等人,1998年). 此外,在放大倍数(图。2B类E类,2G公司J型)发现TLCN存在于树枝状丝状伪足(图。2E类,J型,箭头),以及沿树枝状轴。抗体标记活海马神经元的细胞表面识别TLCN的细胞外区域显示出与标记细胞固定和渗透后的TLCN细胞质区域(补充图1,网址为网址:www.jneurosci.org作为补充材料). 这个结果清楚地表明TLCN蛋白存在于树突丝状伪足和树干的质膜上。

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培养海马神经元中TLCN的树突状特异性定位。A–J,培养的14 DIV海马神经元TLCN和MAP-2(树突状标记物)双重免疫染色(A–E)或神经丝(轴突标记物)(F–J型). 在合并的图像中,TLCN(绿色)与MAP-2共定位(,D类,E类,洋红)但不是带神经丝(F类,,J型,洋红)。TLCN是经常被排除在轴突交叉的树突节段之外(,箭头)。高功率视图(E类,J型)显示树突丝状伪足(箭头)的TLCN定位。比例尺:,F类,30微米;B–D类,G–I型,5微米;E类,J型,2微米。

因为树突丝状足类被认为是树突棘的前身,我们研究了突触发生过程中丝状足到脊椎的转变是否伴随着TLCN定位发生变化。为了清楚地显示树突突起的形态,用膜靶向GFP转染培养的海马神经元并进行免疫染色转染24小时后使用抗TLCN抗体。当大多数树突状突起为丝状突起(图。B类),TLCN在树枝状丝状伪足(66.7±13.0%)以及沿着树突轴(图3,B类). 15 DIV时当丝状伪足密度达到最大时,棘开始出现(图3D类),TLCN大量表达在大多数树突丝状伪足(89.2±3.7%)和一些脊椎中发现增加(41.8 ± 4.4%) (图。C类,D类,G公司). 在22 DIV时丝状伪足的密度降低,棘的密度显著增加(图3F类),两种类型中都存在TLCN突起(丝状足,85.2±6.8%;棘,61.0±8.0%)(图3E类,G公司).然而,在培养海马神经元的整个发育过程中,TLCN是在大多数树突状丝状伪足中检测到,而只有大约一半的树突状伪足脊椎(图3G公司). 这些结果提示丝虫到脊椎的转变与TLCN的减少有关树突状突起中的表达。

棘突触的成熟伴随着TLCN的排除

新生突触最初是在高度活动的树突丝状足上形成的(Saito等人,1992年;Ziv公司和Smith,1996年). 此后,发生丝状体到脊椎的转变伴随着突触的成熟和稳定。因此,我们检查了树突状突起TLCN表达的变化与突触成熟相关。为了监测突触发生,我们用抗体对培养的海马神经元进行免疫染色抗突触素(突触前标记)和PSD-95(突触后标记)。Synaptic公司位点被定义为包含紧密相邻的PSD-95簇的结构突触素簇(参见材料和方法)。此外,我们比较了TLCN与αN-catenin的定位经典钙粘蛋白(Hirano等人,1992年). 它有据报道,钙粘蛋白/αN-连环蛋白复合物在成熟细胞中高度表达在稳定突触方面起着关键作用(Uchida等人,1996年;Togashi等人。,2002;Abe等人,2004年). 在7和14 DIV,沿着树突轴和丝足类观察到小的PSD-95簇,其中一些是非突触素的,没有对应的突触素簇(数据未显示图4B类,D类). 超过一半的突触PSD-95簇(7 DIV,57.6±5.3%;14 DIV,54.9±5.3%)6.3%)与TLCN免疫反应重叠(图。4,B类,,N个). 相反,在相同的发育阶段,αN-catenin的表达非常低且仅与突触PSD-95簇稍有重叠(7个DIV,13.4±1.3%;14分,9.7±1.3%)(图。4C类,D类,,N个). 21 DIV,突触PSD-95簇的大小和数量增加(图。4F类,H(H),). 的数量TLCN阳性图谱仍占总突触簇的一半左右(46.4 ± 5.8%) (图。4E类,F类,,N个).αN-连环蛋白簇的大小和数量急剧增加,其中许多与突触PSD-95簇重叠(54.0±5.2%)(图。4G公司,H(H),,N个). 28 DIV当突触进一步成熟和稳定时TLCN阳性突触显著减少(31.1±4.1%),而αN-连环蛋白阳性突触保持较高水平(50.5±3.8%)(图4N个). 这些结果提示TLCN存在于树突状丝状伪足的未成熟突触后位点突触发生的早期阶段,在后期阶段。此外,这些数据意味着细胞粘附系统在突触成熟:从丝状足的TLCN到脊椎的钙粘蛋白/连环蛋白。

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随着突触的成熟,TLCN逐渐从脊椎中排除。A–L,培养的14 DIV海马神经元(A–D),21类(E–H(E–H))和28 DIV(I–L型)对TLCN进行三重免疫保护(,B类,E类,F类,,J型,绿色)或αN-连环蛋白(C类,D类,G公司,H(H),K(K),L(左),绿色)PSD-95(红色)和突触素(Syn)(蓝色)。具有PSD-95集群的Synaptic站点在21和28 DIV处经常观察到类似突触素簇。注TLCN和αN-连环蛋白。F类J型,箭头和箭头表示TLCN-阳性和-负突触簇。H(H)L(左),箭头表示αN-catenin阳性突触。,总密度(阴影条),TLCN-阳性(开放条)和αN-连环蛋白阳性(填充条)突触不同发育阶段(7、14、21和28 DIV)的PSD-95集群文化。柱状图显示了每个发育阶段10个神经元的平均±SEM时间点。突触的总数代表了平均20个神经元。N个、TLCN-阳性百分比(○)和αN-连环蛋白阳性(•)突触PSD-95簇培养中的发育阶段(7、14、21和28 DIV)。图表显示平均值±每个发育时间点10个神经元的扫描电镜。在早期阶段(7和14 DIV),TLCN阳性突触比αN-catenin阳性突触丰富突触。相反,在后期(28 DIV)αN-连环蛋白阳性突触超过TLCN阳性突触(双尾t吨测试*第页< 0.01).O(运行),P(P),双精度巴松管(洋红色)和TLCN(绿色)的免疫染色。14 DIV,Bassoon-阳性突触前簇通常与TLCN-阳性丝状伪足并列(O(运行),箭头)。在21 DIV,一些巴松星系团与TLCN无关(P(P),箭头),而其他人仍与TLCN阳性树突状突起相对应(P(P),箭头)。,R(右)、GluR2(品红色)的双重免疫染色TLCN(绿色)。14 DIV时几乎检测不到GluR2()但在排除TLCN的21 DIV时积聚在脊椎中(R(右),箭头)。S公司,、GABA双重免疫染色受体(品红色)和TLCN(绿色)。GABA集群受体显示无与14 DIV的TLCN定位相关(S公司)和21 DIV(). 比例尺:A–L,3微米;O–T,5微米。

我们经常在培养的树突状干上发现TLCN阴性斑块海马神经元(图2,,4).4). 仔细观察发现这些TLCN阴性斑块对应于神经丝阳性轴突交叉的树突段(图。2G公司,H(H),,箭头)。因此,它是很可能TLCN蛋白被排除在树突和杂交的接触位点之外轴突以及与突触前轴突接触的成熟树突棘。

我们通过与巴松管、GluR2、,和GABA受体。巴松管是活性区小泡的组成部分簇定位于新生和成熟突触前部位。巴松管群在突触前部位检测到的时间早于突触素的出现集群(汤姆·迪克等人,1998年;Friedman等人,2000年). 在14 DIV,一些TLCN-阳性丝足类针头与小巴松管簇相对(图4O(运行),箭头),可以视为未成熟突触,但也有许多TLCN阳性的丝状伪足与轴突轮廓的接触(图。4O(运行),箭头)。在21 DIV,一些巴松星系团与TLCN-阳性树突和树干(图。4P(P),箭头),而其他在TLCN-阴性上发现树状轴段(图。4P(P),箭头)。GluR2是一种AMPA受体亚单位,存在于成熟细胞中突触后位点,其外观几乎与PSD-95和αN-连环蛋白。在14 DIV时,GluR2几乎无法检测到(图4). 在21 DIV时,GluR2表达显著增加在成熟脊椎中观察到,但多刺GluR2簇没有与TLCN共定位(图4R(右),箭头)。这些结果支持TLCN在树突上未成熟突触后位点高度表达的观点丝状伪足与Bassoon阳性的新生突触前位点并列,但在成熟期不存在GluR2阳性的突触后位点。相反,在抑制性突触GABA公司受体定位于树突轴上的突触后部位脊椎上没有,在14和21 DIV。GABA的一个亚群受体是发现与TLCN共定位,但TLCN之间似乎没有关系分布与抑制性突触成熟(图。4S公司,).

TLCN过度表达导致树突丝状伪足密度增加

树突丝足类中TLCN的富集和成熟突触中TLCN的下调提示TLCN可能在树突丝状伪足的形成或维持中发挥作用。为了检验这种可能性,我们在海马神经元中表达了兔TLCN16–20 DIV,此时正在积极进行丝虫到脊椎的转变。神经元通过共转染膜靶向GFP观察形态。48小时后,模拟转染的神经元具有高密度的蘑菇状棘(1.78±0.08每10μm;n个=5)和低密度树枝状丝状伪足(0.29每10μm±0.11;n个= 5) (图。5,B类)就像控制神经元一样(图3G公司). 与此形成鲜明对比的是,TLCN过度表达的神经元显示出较低的棘密度(0.90±0.08/10微米;n个= 4;第页=0.0001),密度更高丝状体(1.73±0.16/10μm;n个= 4;第页=0.0001) (图5D–F型).

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通过TLCN过度表达增加树突丝状伪足的形成。,D类,低功率控制图像()和TLCN过度表达(D类)22 DIV海马神经元。B类,C类,E类,F类,高功率控制视图(B类,C类)和TLCN过度表达(E类,F类)22 DIV处的枝晶。B类E类是的图像GFP荧光,以及C类F类显示用标记的TLCN的外源表达兔TLCN特异性抗体。控制枝晶主要为蘑菇状这个阶段的脊椎(B类). 相比之下TLCN过度表达的树突显示出许多树突丝状伪足(E类).G–I型,模拟后6小时和30小时控制神经元树突状片段的三例转染。J–L树枝状结构的三个例子转染后6和30小时TLCN过度表达的神经元片段。比例酒吧:,D类,10微米;B类,C类,E类,F类,5微米;G–L,3微米。,不同形态模式的百分比通过比较术后6小时和30小时的显微图像检测到的变化转染*第页< 0.05, **第页< 0.01(双尾t吨测试)。类型1,稳定脊椎(脊椎在6小时后保持30小时时为棘);2型,树突轴形成新脊柱;类型3,脊椎消失;类型4,丝状伪足向棘的转化;类型5,脊椎向丝状伪足的逆向转化;6型,稳定丝状伪足;类型7,树枝状轴形成的新丝状伪足;8型,丝状伪足消失。每次转染从10个神经元收集数据(对照,547个突起;TLCN过度表达,477个突起)。

探讨TLCN过度表达如何诱导树突状细胞密度增加丝状伪足和脊椎密度降低,我们对培养神经元的树突进行成像转染后6和30小时。树突状突起的形态学变化为分为八类并量化(图。5). 在模拟转染神经元中,稳定的棘(1型,52.4±3.1%)约占树突突起的一半,而丝状伪足由脊椎(类型5,1.2±0.6%)或树突轴(类型7,1.2±0.9%)很少观察到(图。5G公司,). 相反,TLCN过度表达导致稳定脊柱显著减少(1型,19.5±2.1%),从脊椎到丝状足类的回复急剧增加(类型5,18.1±2.3%)、稳定的丝状伪足(6型,16.6±3.5%)和新形成的丝状假足(类型7,10.2±1.5%)。因为树突棘消失的百分比TLCN过度表达后(3型,18.0±2.7%)与对照组几乎相似(类型3,19.8±1.8%),TLCN过度表达不会改变树突状细胞的半衰期脊椎。这些结果表明,TLCN诱导丝状伪足数量增加通过多种机制:从脊椎到丝状伪足的反向转化原有丝状伪足的维持和树枝状新丝状伪肢的伸长轴。

据报道,丝状足到脊椎的转变伴随着动态各种功能性突触分子定位的变化(Hering和Sheng,2001年;埃勒斯,2002). 例如,PSD-95和F-actin的表达增加在成熟棘中积累,但不在丝足类中积累,并且在棘突触的稳定性(Allison等人。,2000;El-Husseni等人,2000年;Marrs等人,2001年;Okabe等人,2001年). 因此,我们分析了TLCN是否诱导丝状孢子虫这种形成与PSD-95和F-actin的突触后定位有关。处于控制中神经元、树突状棘主要表现为PSD-95和附着在突触素簇上的F-肌动蛋白(图。6D类,L(左)).相比之下,TLCN过度表达的神经元表现为弥漫性PSD-95和F-actin染色树突状突起与突触素簇在树突状轴上的积聚(图。6E类H(H),P(P)).因此,TLCN过度表达减少了PSD-95和F-actin的突触聚集,这表明TLCN可能作为突触后靶向功能的负调节器分子。

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TLCN过度表达导致突触PSD-95和F-actin的聚集性下降。A–H,控件的代表图像(A–D)和TLCN过表达(E–H(E–H))GFP三重标记树枝晶(,E类; 绿色输入D类,H(H)),PSD-95(B类,F类; 红色输入D类,H(H))、和突触素(C类,G公司;蓝色输入D类,H(H)).I–P公司,控件的代表图像(I–L型)和TLCN过度表达(M–P公司)三重标记GFP的树突(,; 绿色输入L(左),P(P))、阴茎肽(J型,N个; 红色输入L(左),P(P))、和突触素(K(K),O(运行);蓝色输入L(左),P(P)). 比例棒材,3μm。Syn,突触体素。

TLCN是一种I型完整膜蛋白,由长的细胞外区域组成(825 aa)具有九个串联排列的Ig样结构域、一个跨膜区域(26 aa)和一个短胞质尾(61aa)(图。7). 因此,TLCN在树突的表面膜上表达丝状伪足可能与细胞外基质中的一些未知配体相互作用或在传入的轴突上,通过其细胞质域向树突丝状体维持丝状体或减少丝状体至脊椎转型。为了检验这种可能性,我们转染了培养的海马神经元TLCN的截断或嵌合突变体。转染细胞的免疫染色抗兔TLCN或抗CD8抗体证实野生型的表达水平突变蛋白具有可比性。通过共转染评估树突形态膜靶向GFP。缺失突变体TLCNΔ52,缺乏大多数细胞质区(C末端52 aa被删除)(图。7),不会引起脊椎密度的任何变化,或丝状足类(图。7B类,C类). 此外,另一个缺失突变,TLCNΔ4,在C末端仅缺少四种氨基酸(图7),也没有显示效果(图7B类,C类),表明TLCN的细胞质区域,尤其是C末端,对于形成树枝状丝状伪足。因为TLCN(-L-T-S-A)的C端氨基酸序列兔和人TLCN-小鼠TLCN中的L-T-S-S)与共识相似PDZ(PSD-95/椎间盘大/闭塞带-1)-结合基序(-X-T/S-X-V)的序列,TLCN可能与一些细胞内信号分子和/或支架分子与PDZ相互作用域。进一步构建了一个嵌合分子(CD8/TLCN),由无关免疫分子CD8的细胞外和跨膜区域,以及TLCN的细胞质区(图。7). 这种CD8/TLCN嵌合体也在海马神经元中表达未能诱导树突突起的形态发生任何明显变化(图7B类,C类),建议TLCN胞外区域的重要性。总之,这些结果表明TLCN的细胞外和细胞质区域都是形态学所必需的TLCN过度表达诱导的树突状突起变化。

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丝状伪足形成需要全长TLCN。,外源分子示意图表达于海马神经元。B类,C类、树枝状丝状伪足的密度(B类)和脊椎(C类)转染单个结构的培养海马神经元注意,只有全长TLCN会导致树突状突起的形态学改变。数据收集自>10个神经元。条形图上的数字表示个体总数每个构造的实验。误差条表示SEM*第页<0.01(双尾t吨测试)。全长兔TLCN;TLCNΔ52,细胞质区缺乏C末端52 aa;TLCNΔ4,细胞质区缺乏C-末端4aa的TLCN;CD8,全长人CD8;CD8/TLCN,一种由细胞外CD8的跨膜(TM)区域和TLCN的细胞质区域。

TLCN缺乏神经元棘的快速成熟

获得功能实验(TLCN过度表达)显示直接参与了TLCN在树突形态发生中的作用:丝状伪足密度的增加和伴随而来的脊椎密度的降低。接下来,我们详细探讨了TLCN功能丧失在体外通过培养海马神经元TLCN缺乏小鼠(Nakamura等人,2001年).因为TLCN在海马99%含有CaMKII的神经元中表达(Benson等人,1998年),我们比较了树突野生型和TLCN缺乏小鼠CaMKII阳性神经元的形态学(图8B类,D类). 10 DIV时,TLCN缺陷神经元的脊椎密度显著高于野生型神经元(图8F类),而丝状伪足密度无差异(图。8E类). 此外,TLCN缺乏的神经元含有较大的整个开发过程中的PSD-95集群(数据未显示)。

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促进TLCN缺乏神经元的脊柱成熟在里面体外.A–D,的代表性图像野生型(+/+;,B类)和TLCN-缺乏(−/−;C类,D类)老鼠。,C类、GFP荧光(绿色)和突触素(洋红色)免疫标记。B类,D类,与相同的字段C类分别用抗CaMKII染色抗体。比例尺,1μm。E类,F类、丝状伪足密度(E类)和脊椎(F类)野生型(□)和缺乏TLCN(▪) 不同神经元发育阶段(10、15和22 DIV)*第页< 0.05,**第页<0.01(双尾t吨测试)。G公司,脊柱长度的累积频率图22个DIV神经元。两组之间的脊柱长度分布没有差异野生型和TLCN缺乏小鼠。H(H),平均脊柱22个DIV神经元的长度在TLCN缺陷小鼠和野生型小鼠之间相当老鼠。,尖头累积频率图22个DIV神经元的宽度。较宽脊椎的比例在TLCN缺乏小鼠比野生型小鼠(Kolmogorov–Smirnov试验;第页< 0.01).J型,平均脊柱22个DIV神经元的宽度在TLCN缺陷小鼠中比在野生型小鼠(双尾t吨测试**第页< 0.01).G–J型,数据收集自>10三到四个独立实验中的神经元(野生型脊髓,n个= 231; 缺乏TLCN的脊椎,n个= 278). 错误条表示SEM。

在15 DIV时,野生型神经元仍然拥有大量树突丝状体(图8,箭头),TLCN缺乏神经元显示出较低密度的丝状伪足和较高密度的棘(图8C类)比野生型神经元(图8E类,F类).此外,在TLCN缺乏的神经元中,大多数突触素簇与脊椎头部(图8C类,箭头),而在野生型神经元中,它们大多与树突状轴相对(图8). 因此,TLCN缺乏的神经元树突形成期间,丝状伪足较少,功能性棘增加较快发展。

在22 DIV时,树突密度不再有任何显著差异野生型和TLCN缺陷神经元之间的突起(图8E类,F类). 然而,脊椎头部的宽度TLCN缺乏的神经元明显大于野生型神经元(图8,J型),而脊柱长度没有差异(图。8G公司,H(H)). 这些结果让人想起体内形势(图1)和提示TLCN可能对脊柱成熟起负调节作用。

讨论

发育中的神经元:TLCN保存树突丝状体

突触发生通过动态和顺序步骤进行:丝状体从树突轴,丝状体和轴突之间的初始接触,从丝状体到棘,成熟突触的稳定。树状丝状伪足发育过程中在未成熟神经元中大量发现,包括“临界期间。”丝足类动物活动性很强,好像在寻找轴突末端建立适当的突触连接(齐夫和史密斯,1996;Fiala等人,1998年;Lendvai等人,2000年). 此外,最近的延时影像学研究揭示了脊椎向丝状伪足的逆转(Dunaevsky等人,1999年;Marrs等人。,2001). 因此,丝状伪足可能不仅在起始阶段发挥重要作用突触接触,但在发育过程中功能性突触的精细化大脑。

在这里,我们表明TLCN位于树突丝状伪足中,并逐渐被排除在突触发生过程中的棘。此外,树突上TLCN的存在与轴突初次接触前的丝状伪足表明TLCN可能在突触形成的早期步骤。此外,TLCN的过度表达诱导了丝状伪足急剧增加,脊椎随之减少。相反,TLCN缺乏的神经元显示丝状伪足密度较低,棘突迅速增加在开发过程中在体外体内.从这些结果,我们推测TLCN通过促进和保存丝状伪足并减缓其成熟为棘(补充图2,网址为网址:www.jneurosci.org作为补充材料).

TLCN维护丝状孢子虫的生理意义是什么?尽管功能树突丝状伪足仍然是个谜,它们是动态和瞬态结构可能会有一个突触形成的“试验期”。高度能动性丝状伪足将有利于树突与大量传入细胞直接相互作用轴突和增加选择合适突触前伴侣的机会。TLCN可能作为一种“柔软剂”,赋予塑料和柔性特性树突状突起,例如通过激活突触。阐明TLCN的功能体内,的视觉期间对突触成熟进行了电生理分析野生型和TLCN缺陷小鼠的皮层发育。有趣的是,TLCN缺乏小鼠表现出接受野特性的加速成熟(眼部优势可塑性和方向偏好),个人通信)。因此,TLCN肯定参与了突触的发育体内TLCN对丝状伪足的保存可能是一个重要的步骤用于形成功能神经回路。由于中没有此步骤TLCN缺乏的小鼠,脊椎形成加快,由此产生的突触可能迅速形成变得精力充沛。

TLCN对发育中突触可塑性的参与可能仅限于兴奋性突触,因为TLCN动力学与GluR2和PSD-95的聚集相关进入脊椎,但没有GABA的定位树突上的受体轴。这一观点得到了我们之前对嗅球,显示TLCN在突触后膜上的特异定位树突相互作用中兴奋性突触,而抑制性突触二尖瓣细胞与颗粒细胞的接触(村上春树等人,1991年).

成熟神经元:TLCN调节脊椎形态和突触可塑性

在成人大脑中,神经元树突有许多棘,只有少数棘丝状伪足(Grutzendler等人,2002年). 然而,它据报道,成熟树突在各种刺激下发生形态变化,比如脊椎头部的扩大或缩小以及突触的消除或形成(Grutzendler等人,2002年;Trachtenberg等人,2002年;彼得拉克等人al.,2005年). 出生后TLCN的表达水平显著增加当树突丝状伪足在~1~2周时达到高峰端脑。然而,在成人中仍观察到TLCN的高水平表达尽管树突状丝状伪足罕见,但大脑(Mori等人,1987年;Yoshihara等人。,1994).

尽管我们发现TLCN在发育过程中逐渐被排除在脊柱之外,但事实并非如此从所有脊椎中完全去除,但仍保留在~60%的脊椎中(图3G公司). 这与我们的先前电子显微镜观察到TLCN定位于突触周围成年海马神经元棘的头部和颈部区域(樱井等人,1998年). 此外,我们发现棘的头部与野生型相比,TLCN缺陷小鼠的成熟神经元更宽在里面体外体内.Nakamura等人al.(2001)据报道,TLCN缺乏小鼠的海马结构增强LTP和空间记忆性能,这可能与目前的结果相矛盾丝状蛋白TLCN在发育过程中保持可塑性的功能作用。然而,基于两者之间的相关性,至少有两种可能的解释脊柱大小和突触强度。一种解释是脊柱增大TLCN缺乏小鼠在维持期可能提供更强的突触传递LTP的。最近的报告支持了这一观点,即脊柱头部的宽度与具有突触功效(松崎等人,2001年;Kasai等人,2003年). 大头棘很稳定有助于建立强大的突触联系,而小头棘是活动的不稳定。另一种可能性是突触传递通过促进TLCN缺乏小鼠LTP后脊柱的稳定。已经描述过了LTP伴随突触的结构变化,如新的脊椎形成和棘头扩大(恩格特和邦霍弗,1999;Maletic-Savatic等人,1999年;Toni等人,1999年;Ostroff等人,2002年;松崎等人。,2004). 我们证明TLCN缺乏小鼠的脊椎加速在发育过程中成熟,一旦脊椎形成,脊椎宽度显著大于野生型。TLCN缺乏小鼠强直刺激后脊髓的形态学改变,导致LTP增强。

因此,TLCN可以确定成人大脑中脊椎的功能状态,从而允许脊椎形态、运动和突触效能精细化的灵活性。端脑特异性表达TLCN可确保端脑的可塑性负责大脑高级功能的神经元,如学习、记忆和情感。

突触发生过程中细胞粘附系统的转换

TLCN是ICAM家族中一个独特的神经元成员。TLCN在中的动态定位神经元突触发生过程中的树突状突起使人想起ICAM-1在免疫突触的形成。免疫突触是一种特殊的T淋巴细胞和抗原呈递细胞形成有组织界面的中心位置在纳米尺度上(Bromley等人,2001年).免疫突触的形成经历了几个步骤,包括细胞T细胞受体(TCR)的极化、初始粘附和参与含肽的主要组织相容性复合物(MHC)分子(Dustin和Chan,2000年). 这些步骤需要一系列动态各种细胞识别/粘附分子的活性。特别是ICAM-1T淋巴细胞通过与其相互作用在最初的粘附过程中起主要作用细胞表面的反受体淋巴细胞功能相关抗原-1(LFA-1)整合素抗原呈递细胞。此后,ICAM-1和LFA-1被排除在中心之外TCR/MHC-肽相互作用的突触区,并停留在成熟的免疫突触(Bromley等人。,2001). 因此,ICAM-1和TLCN(ICAM-5)在免疫突触和神经突触的形成,分别提供了新的和强大的免疫系统和神经系统之间的分子联系。

发育中和成熟大脑中的各种细胞-细胞相互作用在部分是由粘附分子分为几个家族。特别是Ig超家族和钙粘蛋白家族在结构和功能。这项研究证明了这两种细胞粘附的“转换”树突状突起中的系统。TLCN在树突丝状伪足和在成熟棘中下调,而αN-连环蛋白在突触成熟。通过操纵TLCN和钙粘蛋白/连环蛋白的表达水平。TLCN的过度表达导致减少而TLCN缺乏的神经元数量增加。相反,过度表达αN-连环蛋白诱导脊髓增加,而两者都是显性阴性N-钙粘蛋白和αN-连环蛋白基因缺陷导致脊柱减少(Togashi等人,2002年;Abe等人,2004年).

虽然TLCN可以通过保持动态和可塑性来软化突触树突状丝状伪足、钙粘蛋白和相关蛋白(αN-catenin和β-catenin)可能作为突触接触的“稳定剂”(补充图2,网址为网址:www.jneurosci.org作为补充材料) (Bozdagi等人,2000年;Togashi等人。,2002;Abe等人,2004年). 因此,两个不同的细胞粘附分子家族、免疫球蛋白超家族和钙粘蛋白超家族发挥着重要作用在不同的突触成熟状态下发挥不同的作用。我们假设TLCN介导树突状丝状伪足与新生轴突之间的初始松散粘附钙粘蛋白/连环蛋白系统负责棘与突触前的牢固粘附终端。

除了N-钙粘蛋白外,几种细胞表面分子还促进脊椎成熟和突触形成/稳定,包括EphB2/肾上腺素-B、EphA4/肾上腺素A3,β-整合素、syndecan-2、neurexin/neutrigin、nectins和SynCAM(埃塞尔和山口,1999年;Scheiffele等人,2000年;查维斯和韦斯特布鲁克,2001年;Biederer等人。,2002;Mizoguchi等人,2002年;Murase等人,2002年;Murai等人,2003年). 相反,TLCN是细胞表面的第一个例子保存树突丝状伪足并减缓脊柱成熟的分子(补充图2,网址为网址:www.jneurosci.org作为补充材料). 加速器之间的平衡脊椎成熟的刹车将决定神经突触可塑性的能力功能神经电路。

脚注

这项工作得到了促进科学特别协调基金的部分支持以及日本科技公司和赠款援助提供的技术优先领域的科学研究(高级脑科学项目和分子脑科学),来自教育、文化、体育、科学和技术部(年)。H.M.得到了初级研究助理的资助RIKEN中的程序。我们感谢T.K.Hensch博士对这份手稿的批判性阅读。M.Takeichi赠送抗αN-连环蛋白抗体,A.Miyawaki博士赠送以及S.Usui博士、I.Kawabata和S.Mitsui博士支持。

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