西安交通大学杨睿团队最新PNAS

发育中的大脑通过学习、经验及记忆形成驱动的神经可塑性发生变化。轴突起始段（AIS）是位于轴突近端的特化膜结构域，负责动作电位的启动。研究表明，AIS通过改变其长度和/或定位来反映神经刺激，从而调节神经元兴奋性，表现出可塑性特征。然而，AIS可塑性如何影响大脑功能尚不明确。480 kDa巨型锚蛋白G（gAnkG）是AIS与郎飞结的主要组织者。作者先前研究发现，gAnkG神经元特异性结构域中一个与神经发育障碍相关的变异（Thr1861Met）会导致锚蛋白G缺失的体外培养神经元形成弥散型AIS。

2025年11月24日，西安交通大学杨睿独立通讯在PNAS（IF=9.4）在线发表题为“Impaired AIS plasticity in ankyrin-G mutant mice alters cortical excitability and behavior”的研究论文。该研究通过构建携带该突变点的基因敲入小鼠，发现其表现出运动协调与社会互动能力缺陷。这些敲入小鼠的神经元形成了延长的AIS，但关键AIS组分（包括锚蛋白G、β4-血影蛋白、电压门控钠通道及神经束蛋白）的聚集未见显著减少。

重要的是，与野生型AIS在高钾或化学遗传学（设计药物专一激活受体）刺激下发生缩短不同，突变神经元中的延长AIS未能出现此类缩短现象，表明其AIS可塑性存在缺陷。在发育早期，敲入小鼠初级运动皮层和前扣带皮层神经元的AIS长度正常，但未能出现野生型神经元中观察到的发育性缩短过程；至出生后第60天，这些脑区最终形成延长的AIS并伴随神经元兴奋性增高。由此可见，gAnkG蛋白突变通过损害活动依赖性AIS可塑性，导致神经元兴奋性异常及行为学缺陷。

神经元的信息处理依赖于轴突起始段（AIS）。该结构是紧邻胞体、长度约20至60微米的特化膜结构域，也是离子通道高度富集且动作电位（AP）起始产生的部位。AIS负责整合来自胞体与树突的信息，并向下一级神经元及其他效应细胞发起神经冲动。在某些类型的兴奋性神经元中，γ-氨基丁酸（GABA）能突触亦靶向AIS，使其成为微环路中抑制性信号整合的核心枢纽。AIS结构异常与多种神经系统疾病相关，包括自闭症、Angelman综合征、X染色体相关裂脑综合征、癫痫及双相情感障碍。

AIS具有显著的可塑性，能够根据刺激动态调整其长度及与胞体的间距——这一特性被认为是维持神经元兴奋性稳态的关键机制。这种活动依赖性重构已通过多种实验范式得以验证。在体外研究中，可通过以下方式调节突触输入以诱导AIS重构：氯化钾诱导去极化、应用6,7-二硝基喹喔啉-2,3-二酮与河豚毒素、激活N-甲基-D-天冬氨酸受体、阻断M型钾离子通道、电刺激或磁刺激、光遗传学调控以及药物干预枝形吊灯细胞的轴-轴突触。在体研究则通过感官剥夺范式验证该重构现象，包括耳蜗切除、嗅觉剥夺、触须-桶状皮层通路剥夺、视觉剥夺、听觉输入改变及脊髓背角炎症模型。在病理层面，来自肌萎缩侧索硬化症或阿尔茨海默病患者的诱导多能干细胞（iPSC）分化神经元重现了AIS长度改变及继发的神经元兴奋性变化，为AIS可塑性提供了进一步支持。这些一致性结果凸显了AIS在稳定神经网络功能及优化突触输出中的核心作用。然而，AIS可塑性究竟存在于正常脑功能中，还是仅出现于神经元活动显著扰动或病理状态下，目前尚不明确。

模式机理图（图片源自PNAS）

AIS中存在一个由特定膜蛋白、相关适配蛋白及细胞骨架组分构成的特化蛋白质网络。该网络的核心是480 kDa的巨型锚蛋白G（gAnkG），其为ANK3基因通过可变剪接转录本编码的最长亚型。gAnkG通过其神经元特异性结构域（NSD）调控AIS组装，该结构域是由7.8 kb的第37号外显子编码的脊椎动物特有序列。NSD在斑马鱼至人类中的进化保守性提示其功能重要性。生物信息学预测显示该区域具有内在无序特性，使其能够与多种大分子发生动态交互作用，从而实现蛋白质网络的上下文依赖性调控。尽管具备这些结构特征，gAnkG在AIS结构可塑性及功能适应性中的具体作用仍不清楚。

作者此前报道了两例携带gAnkG的NSD结构域复合杂合变异的儿科病例：病例一为男性患儿，携带Thr1861Met与Pro2490Leu变异，表现为特定性语言障碍合并轻度自闭谱系特质；病例二为女性患儿，携带Thr1861Met与Lys2864Asn变异，临床表现为共济失调、智力障碍、癫痫发作及自闭谱系障碍。功能分析显示，这些NSD变异在锚蛋白G敲除的海马神经元培养体系中引发两类关键异常：1）AIS区域锚蛋白G总量降低且其分布范围拓宽；2）AIS中β4-血影蛋白的聚集显著减少。

本研究通过CRISPR-Cas9基因组编辑技术构建了gAnkG基因（小鼠直系同源位点为Thr1935Met）的纯合Thr1861Met敲入小鼠（Ank3T1935M/M）。相较于作者前期使用的锚蛋白G敲除神经元，此模型特异性靶向gAnkG亚型，能更精准地模拟人类临床病例。ANK3T1935M/M小鼠初级运动皮层（M1）和前扣带皮层（ACC）神经元在出生后早期（PND 28）呈现正常的AIS结构，但未能出现野生型神经元中观察到的发育性缩短现象；至出生后第60天，这些脑区表现为AIS延长及神经元兴奋性增高。AIS中β4-血影蛋白的聚集未见显著减少。这些结构异常与小鼠社交互动和运动协调行为缺陷相关。通过使用Gq耦联的设计药物独家激活受体（DREADD）hM3Dq刺激神经元，发现ANK3T1935M/M小鼠的AIS可塑性受损。这种AIS可塑性缺陷可能是发育性AIS重构障碍的内在机制。综上所述，本研究证实gAnkG在调控AIS可塑性中发挥关键作用，并为AIS可塑性完整性与正常脑功能及行为表型发育间的关联提供了直接证据。

https://doi.org/10.1073/pnas.2513363122