Science丨谷氨酸能新皮层突触小结中，神经递质释放对细胞内钙离子敏感性影响的研究

撰文丨我的闺蜜老红帽

动作电位（ Action potentials ，APs）通过打开钙离子通道 来驱动 神经递质释放。钙离子激活感应蛋白， 随后 触发 神经递质 释放过程【1】。 由于钙离子 浓度 梯度的 变化大， 持续时间短， 因此 这个过程中 并 没有建立化学平衡。这使得钙离子通道和感应蛋白之间的物理耦合距离 ， 以及细胞内钙离子对释放过程的敏感性 ， 在控制 神经递质 释放的速度、可靠性和可塑性方面处于中心地位【2-7】。

虽然物理耦合距离已经在不同的突触上进行了详细的研究，但在细胞内钙离子释放的敏感性方向尚未得到深入的研究。Synaptotagmin- 1 （ Syt1 ）和 Syt2 是大脑中同步释放的主要钙离子传感器【1】。 Syt2 是后脑突触的主要传感器，而 Syt1 是 前脑突触，特别是在新皮层 的 主要传感器。 Syt2 触发谷氨酸释放的钙离子敏感性已经 在 突触前钙离子 浓度 和递质释放率 等方向进行 详细量化，从而建立了钙离子结合释放与五个协同钙离子结合位点的动力学模型【2,3】。在随后的工作中，该 Syt2 动力学 模型已被扩展到 研究 细胞内钙离子浓度 变化的相关因素，包括 异步释放、发育改变、 Syt2 触发的 γ- 氨基丁酸（ GABA ）释放以及突触可塑性 等 。

新皮层突触小结 是指 大脑新皮层中神经元轴突末端的突触小结。新皮层是大脑皮层的一部分，是大脑中负责高级认知功能的区域。这些突触小结是神经元之间传递信号的关键部位，在神经信息的传递和处理过程中发挥着重要作用。目前，对于 Syt1 启动 的新皮质突触释放钙离子敏感性 仍旧 缺乏相应的定量细节。由于谷氨酸能新皮质突触体积小且位于轴突 - 树突位置，因此与巨型【2,3】或轴突 - 体细胞【6】表达 Syt2 的突触相比， 其 实验条件 并不理想 。突触小结的轴突 - 树突位置给连接突触小结的识别带来了相当大的困难。

近期，来自 德国 Leipzig University 的Hartmut Schmidt研究组在 Science 上发表题为

The

intracellular Ca

2+

sensitivity of transmitter release in glutamatergic neocortical boutons

首先，作者 用紫外激光光解 分析来 识别连接 Syt1 的突触小结。 来自小鼠初级体感皮层的单细胞 RNA 测序数据显示，第 5 层锥体神经元 （ L5PNs ） 表达 Syt1 ，但不表达 Syt2 ，整个皮层和纯化皮层神经元的 RNA 测序数据 均有类似现象 。作者利用免疫组织化学在蛋白水平上 也 证实了这一点。作者结合了紫外线激光钙离子释放与定量绿 / 红（ G/R ）双光子钙离子成像 ，绘制出 在 S1 的 L5PN 突触。 L5PN 之间典型的突触连接是由分布在基底树突上的几个突触小结形成的。突触小结位于突触后体细胞附近（ <100 μm ）。 L5PNs 突触钙离子释放的依赖性 ， 具有较高的钙离子亲和力和正协同性。

接下来，作者对神经递质 释放 - 突触前 钙离子 依赖性的剂量 - 反应曲线 进行绘制。 为了了解剂量 - 反应曲线的动态范围是否与生理相关， 作者 量化了 AP 介导释放的 钙离子 依赖性 ， 分析了 神经递质 释放对细胞外 钙离子 浓度的依赖性。相应的累积释放率在较低 钙离子浓度 （ ≤2 mM ）时呈典型的单指数，在较高 钙离子浓度 （ ≥5 mM ）时呈典型的双指数。 作者还 绘制了 EPSCs 的峰值振幅和相应的峰值释放率相对于各自的 钙离子浓度的曲线 。 这 两条曲线均 呈 S 型。这些数据表明， AP 诱发释放率跨越了光解诱发释放的剂量 - 响应曲线的动态范围，曲线的动态范围反映了生理学上最相关的范围。

最后，作者研究在神经递质释放过程中， Syt1 和 Syt2 之间的功能差异 。 为了定量了解 L5PN 突触处钙离子触发的释放动力学，并与 Syt2 触发的释放进行比较， 作者 建立了一个能够描述实验光解剂量反应曲线的动力学模型。小脑浦肯野细胞突触的测量和动力学模型 表明 ， Syt1 与 Syt2 触发释放相比存在实质性差异。 Syt1- 控释机制在中等钙离子浓度下具有 更 高 的 可靠性和可控性。

综上所述， 在这项工作中，作者量化了L5PNs的突触中Syt1-触发释放的钙离子依赖性，精准描述了Syt1触发的新皮质突触小结释放的钙离子依赖性的动力学特征，并展示了Syt1与Syt2触发的小脑突触小结释放的主要差异。

文章来源

https://doi.org/10.1126/science.adp0870

制版人： 十一

参考文献

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4. E. Eggermann, I. Bucurenciu, S. P. Goswami, P. Jonas,Nat. Rev. Neurosci.13, 7–21 (2012) .

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6. T. Sakaba,Neuron57, 406–419 (2008).

7. H. Taschenberger, A. Woehler, E. Neher,Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113, E4548– E4557 (2016).

8. I. Bucurenciu, A. Kulik, B. Schwaller, M. Frotscher, P. Jonas,Neuron57, 536 –545

(2008).

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