《Nature》斯坦福大学骆利群研究团队揭示嗅觉环路中的突触配对机制

在大脑中，神经元要精准“配对”才能正确传递信息：就像插头必须对准插座。在果蝇的嗅觉系统里，几十种气味神经元各自连接到专属的“处理单元”（嗅小球），即使相邻单元结构相似、位置紧挨，也很少接错。科学家一直好奇：它们如何避免“插错孔”？

基于此，2025年11月19日，斯坦福大学生物学系及霍华德·休斯医学研究所骆利群教授研究团队在《Nature》杂志发表了“Repulsions instruct synaptic partner matching in an olfactory circuit”揭示了嗅觉环路中，神经元靠“排斥”来精准配对。

作者结合单细胞转录组数据筛选并鉴定出三对介导排斥作用的细胞表面蛋白（CSP）配对：Toll2–Ptp10D、Fili–Kek1 和 Hbs/Sns–Kirre。在果蝇嗅觉环路发育中，这些蛋白对在特定的嗅觉受体神经元（ORN）和投射神经元（PN）之间呈互补表达：一个在ORN中高表达，另一个则在其非匹配的PN中表达。它们通过相互排斥阻止错误的ORN–PN连接。实验表明，无论是在ORN还是PN中敲除任一配对蛋白都会导致相似的接线错误；而过表达某一蛋白引起的错误靶向，可通过同时敲除其配对蛋白来挽救。这些细胞表面蛋白（CSPs）对也在其他脑区差异表达，提示该机制具有普适性。

图一 三对CSP在VA1d和VA1v嗅小球中的反向表达

VA1d 和 VA1v 是果蝇触角叶中两个相邻的嗅小球分别处理不同的信息素信号。尽管它们功能不同，却都高表达吸引性分子 Ten-m、低表达 Ten-a，因此无法靠这些分子区分彼此的神经连接。作者推测，另有其他CSP在两者间差异表达，负责精确配对。

为此，研究团队结合蛹期（24–30 小时）的单细胞转录组数据，筛选出 36 个在 VA1d 与 VA1v 的ORN或PN中差异表达的 CSP 候选基因，并通过组织特异性 RNAi 进行功能测试。结果发现，其中 14 个基因敲低后会导致 ORN 轴突错误投射到邻近嗅小球。值得注意的是，单个 CSP 缺失通常只引起轻微表型，需同时干扰多个 CSP 才显著破坏匹配特异性。

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进一步分析聚焦于三对呈现“反向表达”的 CSP：Toll2–Ptp10D、Fili–Kek1 和 Hbs/Sns–Kirre。通过基因敲入标记和蛋白检测（蛹期 42–48 小时），证实这七种蛋白在触角叶中确实差异分布且 mRNA 与蛋白表达模式高度一致。这些蛋白定位于新生嗅小球中 ORN 轴突和/或 PN 树突的末端，位置上支持其参与突触识别。

综上，这三对 CSP 通过在正确配对的 ORN–PN 之间“错开表达”，很可能介导排斥性相互作用，从而阻止错误连接。

图二 Ptp10D/Toll2缺失引发ORN-PN错配

作者研究发现，Toll2 和 Ptp10D 作为一对反向表达的细胞表面蛋白，在果蝇 VA1d 与 VA1v 嗅觉环路的精准配对中发挥关键排斥作用：Ptp10D 在 VA1d 嗅觉受体神经元和 VA1v 投射神经元中高表达，而 Toll2 则在 VA1v-ORN 和 VA1d-PN 中富集。

功能实验表明，Ptp10D 在 VA1d-ORN 中以细胞自主方式防止其轴突误入 VA1v 嗦小球，而 Toll2 在 VA1v-PN 中发出排斥信号，阻止 VA1d-ORN 与其错误连接；在 VA1d-PN 中敲低 Ptp10D 或在 VA1v-ORN 中敲低 Toll2，也会导致反向错配。

值得注意的是，Toll2 在 ORN 中不起作用且仅在高表达区域操纵才产生表型，说明其功能具有细胞类型和空间特异性。这些结果支持一个模型：Toll2 作为排斥信号“发送方”，Ptp10D 作为“接收方”，通过跨细胞相互作用划定相邻嗅小球间的连接边界，从而确保非配对神经元之间不发生错误突触形成。

图三 排斥性的Fili–Kek1相互作用

作者发现，Fili 与 Kek1 是另一对介导排斥作用的细胞表面蛋白：Fili 在 VA1d/DC3 投射神经元中高表达，Kek1 则在 VA1v 嗅觉受体神经元中富集。

功能实验显示，敲除 Fili（在 PN 中）或 Kek1（在 ORN 中）均导致 VA1v-ORN 轴突错误侵入 VA1d 嗅小球。在 VA1d-ORN 中过表达 Kek1 会使其轴突误投至邻近不表达 Fili 的嗅小球（如 VA1v、DA1）；而这一错配表型在 Fili 突变体中被显著抑制，说明 Kek1 的作用依赖于 Fili。单细胞过表达实验证实 Kek1 以细胞自主方式起作用，而 Fili 在 ORN 中缺失无表型，表明其功能仅限于 PN。

综上，Fili 在 PN 中发出排斥信号，Kek1 在 ORN 中接收该信号，二者协同阻止非配对神经元之间的错误连接。

图四 排斥性的Hbs/Sns–Kirre相互作用以及三对CSP的组合表达

研究人员发现，果蝇大脑中有一套“分子身份证”系统帮助嗅觉神经元精准配对，避免接错线。除了之前找到的两对“排斥搭档”（Toll2–Ptp10D 和 Fili–Kek1），他们又确认了第三对：Hbs/Sns 和 Kirre。简单来说，VA1d 投射神经元（PN）表面挂着“Hbs/Sns 标签”，而 VA1v 嗅觉神经元则带着“Kirre 接收器”。当错误的 ORN 靠近时，Kirre 会识别到不该出现的 Hbs/Sns 信号触发排斥，从而阻止错误连接。

进一步分析发育期单细胞转录组发现，编码这三类排斥信号（Toll2、Fili、Hbs/Sns）的基因在多种 PN 中以组合方式差异表达：大多数 PN 高表达其中一种或两种，极少同时表达全部三种。这种策略既能有效排斥非配对 ORN，又为正确配对保留“兼容窗口”，从而以有限的分子工具高效实现果蝇触角叶约50对嗅觉环路的精准布线。

总结

该研究揭示果蝇通过三对排斥性细胞表面蛋白的组合表达，以“分子门禁”机制防止相邻嗅觉神经元错配，提出了一种高效、可扩展的神经环路精准布线策略，不仅深化了对发育中排斥作用的理解，也为神经发育疾病和类脑智能设计提供了新思路。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09768-4

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