GluN3A NMDA 受體蛋白 (NMDAR) 亞基在大腦發(fā)育中的作用

我們的大腦是一張錯綜復雜的連接網，在發(fā)育過程中不斷形成和重塑。而現在，研究人員對出生后大腦發(fā)育過程中的一個關鍵機制有了新的認識【1】。最新研究揭示了 GluN3A NMDA 受體蛋白 (NMDAR) 亞基及其在調整NMDAR 突觸運輸方面的作用。

NMDAR亞基的發(fā)育轉換

在早期發(fā)育過程中，大腦經歷了以突觸的不斷產生和移除為標志的顯著轉變。這種最初階段的變化后來通過感覺輸入和神經元活動得到完善，從而導致穩(wěn)定和加強特定的突觸連接【2】。這一過程至關重要，因為它能從最初的冗余連接中形成精確的神經元回路--這是微調認知功能和行為的關鍵一步。
 

這一發(fā)育歷程的核心是 NMDAR受體蛋白亞型的轉變，特別是從含 GluN2B 的 NMDAR受體蛋白到含 GluN2A 的 NMDAR 的發(fā)育轉換。這種轉變影響了 NMDARs 受體蛋白的生物物理和藥理特性影響受體的信號傳導、定位和突觸輸入的時間整合【3】。此外，GluN3A 亞基在突觸穩(wěn)定和成熟過程中發(fā)揮著獨特的作用，尤其是在出生后時期。改變 GluN3A表達的改變會對突觸成熟、記憶鞏固和學習產生重大影響。
 

然而，我們仍不完全了解 NMDAR 受體蛋白在突觸和突觸外區(qū)間的動態(tài)和擴散機制。具體來說，GluN3A 亞基是如何影響這些動態(tài)變化的，從而有利于在突觸處形成不成熟的 NMDAR 受體蛋白表型，這一點還沒有得到廣泛的研究。
 

為了深入研究這一空白，這篇新文章的作者計劃在活體海馬神經元中追蹤表面 GluN3A-NMDARs 受體蛋白并評估 GluN3A 亞基水平對突觸 NMDAR 受體蛋白表面動態(tài)的影響。他們結合使用了單納米粒子成像、免疫組織化學、電生理和生物化學方法，揭示了發(fā)育中神經元中 GluN3A-NMDARs 受體蛋白的動態(tài)及其對 NMDARs 突觸含量的影響。

GluN3A 亞基：關鍵角色

研究小組發(fā)現，與 GluN2-NMDARs 受體蛋白相比，GluN3A-NMDARs 受體蛋白的擴散性更強，錨定更松散。研究表明，GluN3A-NMDARs 在海馬神經元表面的擴散取決于它們的活動。此外，GluN3A 亞基控制著 GluN2A-NMDARs 受體蛋白的動態(tài)和定位，而不是 GluN2B-NMDARs受體蛋白。有趣的是，GluN3A-NMDARs 受體蛋白的物理固定會影響 GluN2A-NMDARs 受體蛋白的表面動力學。在出生后早期發(fā)育過程中，GluN3A 亞基引導 GluN2A/GluN2B 的突觸內容。

突觸 NMDAR 的動態(tài)變化

研究人員首先使用單納米粒子（量子點 [QD]）跟蹤方法觀察了培養(yǎng)海馬神經元中的 GluN3A-NMDARs 受體蛋白。他們發(fā)現，NMDAR 的突觸數量取決于進入和離開突觸后區(qū)域的受體之間的平衡。細胞結構內的各種相互作用會影響這種動態(tài)平衡，而這種平衡取決于受體亞基的組成。例如，GluN2A-NMDAR 受體蛋白的表面擴散低于 GluN2B-NMDAR受體蛋白，這可能是由于不同的錨定機制造成的（圖 2）。為了使用 QD 跟蹤 GluN2A 和 GluN2B，研究小組用GluN2A N端細胞外結構域的抗體（Alomone Labs #AGC-002）（表位對應于 GluN2A 亞基的 41-53 殘基）或GluN2B亞基抗體（Alomone Labs #AGC-003）（表位對應于 GluN2B 亞基的殘基 323-337）和海馬神經元一起孵育。然后用 QD 655 驢抗鼠或兔 IgG 進行孵育。結果表明，GluN3A亞基通過改變突觸后區(qū)室中GluN2A-NMDAR 受體蛋白的封閉性和停留時間來影響其定位。

圖 2.GluN3A 亞基調控 GluN2A-NMDARs 的表面擴散和突觸滯留，而非 GluN2B。(A）轉染 Homer 1-DsRed （藍色）和 GFP-GluN3A 或對照細胞（表達 Homer 1 但不表達 GFP-GluN3A）的 7-9 DIV 海馬神經元的代表性樹突區(qū)。紅色顯示原生 GluN2A-NMDARs 和 GluN2B-NMDARs 的 QD 軌跡總和。比例尺為 3 毫米。(B）突觸 GluN2A-QDs 和 GluN2B-QDs 在對照神經元（n = 89，分別來自至少三個不同培養(yǎng)物的 15 個視野；n = 306，分別來自至少三個不同培養(yǎng)物的 9 個視野）和表達 GFP-GluN3A 的神經元（n = 119，分別來自至少三個不同培養(yǎng)物的 22 個視野；n = 277，分別來自至少三個不同培養(yǎng)物的 18 個視野）中的瞬時擴散系數累積分布（P < 0.0001; Mann-Whitney test）。(C）轉染 Homer 1-DsRed（藍色）和 sh1185 或 sh2532（如所示）的 7-9 DIV 神經元的代表性樹突區(qū)。原生 GluN2A（上）和 GluN2B（下）的 QD 軌跡總和以紅色顯示。比例尺為 3 毫米。(D) 7-9 DIV 時對照神經元（n = 85，46 個區(qū)域，來自至少 6 個不同的培養(yǎng)物；n = 181，41 個區(qū)域，來自至少 6 個不同的培養(yǎng)物）突觸 GluN2A-QDs 和 GluN2B 瞬時擴散系數的累積分布、和轉染 sh1185 的神經元（n = 209，38 個區(qū)域，來自至少 6 個不同的培養(yǎng)物；n = 206，38 個區(qū)域，來自至少 6 個不同的培養(yǎng)物）或 sh2532 的神經元（n = 240，37 個區(qū)域，來自至少 6 個不同的培養(yǎng)物；n = 158，33 個區(qū)域，來自至少 6 個不同的培養(yǎng)物）（p < 0.0.006; Kruskal-Wallis followed by Dunn's multiple comparison test）。圖和圖例來自González-González IM, et al. Cell Rep. 2023;42(5):112477..

GluN3A亞基在突觸成熟中的作用

研究小組的數據還表明，GluN3A亞基表達的發(fā)育減少與GluN2A-NMDARs受體蛋白逐漸并入突觸后位點的過程一致。研究人員提出了一個模型，在這個模型中，GluN3A 亞基會 "破壞 "成熟突觸中 GluN2A-NMDAR 受體蛋白的穩(wěn)定，從而延遲它們的穩(wěn)定。此外，GluN3A-NMDARs 受體蛋白還受到神經元活動的影響，這表明它們在推動突觸成熟方面發(fā)揮了作用。

EphB2R 和 GluN2A-NMDAR 信號傳導

此外，跨膜 EphB2 受體（EphB2R）在谷氨酸突觸的 GluN2-NMDAR 受體蛋白信號成熟過程中似乎也發(fā)揮了作用。敲除 GluN3A 亞基會改變 NMDAR 受體蛋白與 EphB2R 之間的相互作用，但研究發(fā)現，GluN3A 對 GluN2A-NMDAR 受體蛋白的脫穩(wěn)作用與與 PSD95 的相互作用無關。這一發(fā)現還表明，GluN3A 的脫穩(wěn)作用將突觸 GluN2B 到 GluN2A 的轉換限制在發(fā)育的后期階段，從而使 GluN2B-NMDAR 受體蛋白信號在關鍵發(fā)育階段占主導地位。

對神經發(fā)育和失調的影響

最后，這項研究描述了一種機制，在這種機制中，GluN3A 亞基會阻止 GluN2A-NMDARs 受體蛋白在成熟突觸處的穩(wěn)定，從而有利于降低 GluN2A/2B 突觸比率。這似乎是一種控制谷氨酸能突觸成熟的調節(jié)機制，與哺乳動物大腦正常發(fā)育的關鍵進化過程相一致。此外，GluN3A 表達的改變已在各種神經發(fā)育和精神疾病中這表明，GluN3A 表達的變化可能會限制突觸的可塑性和成熟，從而導致神經網絡功能失調。

連接更廣闊的視角

這項研究揭示了 GluN3A 亞基防止 GluN2A-NMDARs 受體蛋白過早穩(wěn)定的獨特機制。它使我們對突觸成熟如何與經驗相聯(lián)系以及發(fā)育受限的 GluN3A 表達如何對哺乳動物大腦的正常進化至關重要的認識又增加了一層。這種表達的改變可能會限制突觸成熟的時間窗口，從而導致神經和精神疾病，因此深入了解 NMDARs 受體蛋白是一項有價值的研究。

【1】I. M. González-González, Gray J A , Ferreira J S ,et al.GluN3A subunit tunes NMDA receptor synaptic trafficking and content during postnatal brain development.[J].Cell reports, 2023, 42 5:, 112477. DOI:10.1016/j.celrep.2023.112477.

【2】Katz, L.C. and Shatz, C. J.(1996). Synaptic activity and the construction of cortical circuits. Science 274, 1133-1138. 

【3】Paoletti, P., Bellone, C. & Zhou, Q. NMDA receptor subunit diversity: impact on receptor properties, synaptic plasticity and disease. Nat Rev Neurosci 14, 383-400 (2013)