de novo神経伝達物質合成によるシナプス形成の誘導

Nature Communications volume 13、記事番号: 3060 (2022) この記事を引用

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205 オルトメトリック

メトリクスの詳細

神経科学における重要な問題は、ニューロンがどのようにしてシナプス後構造をシナプス前放出部位と整列させるかということです。シナプス接着タンパク質がこのプロセスに関与していることが知られていますが、神経伝達物質の役割は不明のままです。今回我々は、非標準的伝達物質の新たな生合成と小胞放出が、それに対応するポストシナプスの構築を促進できるかどうかを調べる。我々は、幹細胞由来のヒトニューロンと純粋にグルタミン酸作動性のin vivoマウスニューロンの両方において、GABA合成酵素と小胞トランスポーターの異所性発現が周囲のグルタミン酸からGABAを生成し、それをシナプス前末端から伝達するのに十分であることを実証する。これにより、シナプス後 GABAA 受容体の効率的な蓄積と一貫した活性化が可能になり、グルタミン酸作動性の対応物とは独立して並行して動作する、完全に機能する GABA 作動性シナプスが生成されます。これらの発見は、神経伝達物質のシナプス前放出自体が、関連するシナプス後装置の組織化に信号を送り、これを直接改変してニューロンのシナプスアイデンティティを再プログラムできる可能性があることを示唆している。

ニューロンは、シナプスと呼ばれる特殊な構造を介して相互に通信します。シナプスがどのようにアイデンティティを確立し維持するのかは、ほとんど不明のままです。一説によれば、シナプス細胞接着分子（SAM）は、シナプス前成分とシナプス後成分の間のトランスシナプス相互作用を促進することによってシナプス形成を引き起こします1、2、3。この仮説を裏付けるように、SAM の異所性発現は、ニューロンと非ニューロン細胞の両方でそれぞれシナプス形成を増強または誘導する可能性があります 4、5、6、7。さらに、一部の SAM の個々の遺伝子欠失も、シナプス集合を完全に排除するわけではないものの、さまざまな程度でシナプス数を減少させることも報告されています 8,9,10。

興味深いことに、これらの少数の例にもかかわらず、大多数の SAM の構成的または条件的ノックアウト (KO) モデルは、シナプス形成における大規模な障害を示さず、その機能的成熟にのみ影響を及ぼします。時間の経過に伴うシナプス11、12、13、14、15。さらに、いくつかのシナプス後SAMはグルタミン酸作動性またはγ-アミノ酪酸（GABA）作動性の主要シナプスに特異的に局在しており、同様に共通のシナプス前結合パートナーと相互作用することが多いため、SAM依存性のメカニズムはさまざまな種類のシナプスの生成をまだ説明できていない。両方のシナプスタイプに分布しています16、17、18。したがって、シナプス形成および相補的シナプス装置の信頼できる整列には、SAM以外の代替細胞シグナルが主にまたは同時に必要とされる可能性がある。

シナプス形成の 2 番目のモデルは、神経伝達物質の放出がこのプロセスを直接調節できることを示唆しています。シナプス前終末で生成されるさまざまな伝達物質に応答して、シナプス後コンパートメントは、シナプスに機能的特性を与える異なるクラスの受容体を動員します。この理論は、GABAA 受容体 (GABAAR) の欠失により、GABA 作動性シナプスのサブセットの形態と標的特異性の両方が損なわれる可能性があることを示す研究によってさらに強化されます 19,20。伝達物質依存性のシナプス後配置に関する追加の証拠は、単一のニューロン内で合成された異なる共伝達物質が、異なるシナプス後細胞集団と接触する独立したシナプス前末端にしばしば分離される可能性があるという最近の観察から得られている21、22、23。さらに、一部のニューロンは活動に依存して伝達物質の種類を切り替えることさえでき、これによりシナプス後部の対応する受容体レベルと組成が変化します 24,25。

おそらく、伝達物質誘導性シナプス形成について最も説得力のあるケースは、樹状枝近くの「ケージド」グルタミン酸と GABA の急速な光分解がシナプス後受容体と足場タンパク質の局所的蓄積を引き起こし、最終的には未熟なシナプス形成を引き起こし、最終的にはシナプス形成に統合される可能性があることを実証した 2 つの独創的な研究から明らかです。既存の神経回路26,27。この現象は、幅広い年齢範囲の動物のさまざまな脳領域に存在するさまざまな神経サブタイプでも再現されることに成功しました 28、29、30。しかし、(i) 生理学的に関連するシナプス前神経伝達物質の放出中にそのようなメカニズムが機能するかどうか、(ii) これらの伝達物質によって誘導された初期シナプスがさらに形態学的および/または機能的成熟を起こすかどうか、(iii) ニューロン自体の伝達物質の正体が不明であるかどうかは依然として不明である。 (iv) 放出される神経伝達物質の変化が異なる種類のシナプスの生成に直接つながる可能性があるかどうか、(v) これらの伝達物質誘導性シナプスが生体内、特に生きた動物でも発達する可能性があるかどうか。これらの疑問に取り組むことで、シナプスがどのように形成され、そのアイデンティティを獲得するかの基本原理を理解できるかもしれません。

10 ms) decay kinetics, as recorded from human neurons expressing indicated factor combinations. g, h Representative traces g and cumulative histogram of τ-decay h of sPSCs recorded from Ngn2-neurons co-expressing V57 factors, before (Ctrl) and after acute treatments with PTX and/or CNQX (as annotated). i–k. Cumulative probabilities (left) and average values (right) of sPSC half-width (i), amplitude (j), and event frequency (k), measured in the absence (Ctrl) or presence of inhibitors, PTX, CNQX, or both PTX + CNQX. All data are presented as means ± SEM, with number of cells patched / independent batches. Individual data-points are provided as color-matched open circles. For panels e, f, statistical significance was evaluated by Kruskal-Wallis test paired with post-hoc nonparametric Mann-Whitney U-test using Bonferroni correction (see Source Data). For i, j, k, Skewness and Kurtosis values (-2 >≈ and ≈ < 2) suggested normal distribution, as statistical significance was weighed by two-tailed, unpaired, Student’s t-test, with ***P < 0.005; **P < 0.01; *P < 0.05; ns = not significant, P > 0.05. Multiple groups in panel k were also compared by an analysis of variance (one-way ANOVA) paired with post-hoc Tukey-Kramer test, and corresponding P-values were reported./p> = 3 consecutive presynaptic pulses, as recorded from indicated conditions. j Example traces (left) of EPSCs and IPSCs evoked by train of pulses (arrows); Insets are successive paired stimulations of presynaptic inputs with ∆t = 50 ms, presented as superimposed trials (6 consecutive paired-pulses, light shades) with average traces (dark shades). All PSC amplitudes normalized to corresponding 1st pulse (right). Both EPSCs and IPSCs manifested significant synaptic depression, but of a different magnitude possibly due to different extents of desensitization and/or saturation of postsynaptic AMPARs vs. GABAARs, and therefore, could not be directly compared as a proxy for presynaptic release probabilities. All numerical data are means ± SEM, with total number of neurons recorded/experimental batches, and data-points plotted as open circles. Statistical significances were evaluated either by two-tailed, unpaired, Student’s t-test (Skewness and Kurtosis values −2 > ≈ and ≈ < 2), or two-sided, nonparametric Mann-Whitney U-test, for ***P < 0.005; *P < 0.05; ns = not significant, P > 0.05. Multiple groups were compared by one-way ANOVA (i, with P-value)./p>≈ and ≈ < 2), or two-sided, nonparametric Mann-Whitney U-test (Source Data), with ***P < 0.005; **P < 0.01; *P < 0.05; ns = not significant, P > 0.05./p>≈ and ≈ < 2). Hence, statistical significance was primarily assessed by two-tailed, unpaired, Student’s t-test, with ***P < 0.005; *P < 0.05; ns = not significant, P > 0.05. Multiple groups (b and c) were compared by Kruskal-Wallis test paired with post-hoc nonparametric Mann-Whitney U-test, and corresponding P-values were reported./p>≈ and ≈ < 2. Statistical significance was assessed by two-tailed, paired, Student’s t-test, with ***P < 0.005; *P < 0.05; ND = events not detected./p> 0.05./p>

= 3 biological replicates were used, and sample sizes were selected so that SEM ≈ < 1/10th of their respective means for most datasets. Except Figs. 3 and 5, investigators were not blinded to allocation during experiments or outcome assessments, because many assays required prior knowledge of drug identity during acute applications (Figs. 1, 2, 6, and 7), transgene combinations (Figs. 1 and 7), or sample collections and processing at specific time-intervals (Fig. 4)./p> ≈ and ≈ < 2), statistical evaluations between conditions were conducted using unpaired (paired for batchwise comparisons), two-tailed, Student’s t-test (***P < 0.005; **P < 0.01; *P < 0.05; ns = not significant, P > 0.05); otherwise, two-sided, nonparametric Mann–Whitney U-test was performed as mentioned in the corresponding figure legends. For all groupwise assessments, the P-values of single-factor ANOVA (for near-normal data distribution) or Kruskal–Wallis test (for considerable deviations from normal distribution) were reported./p>

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