RNF220作為新型AMPA受體泛素化連接酶調(diào)控突觸活性和神經(jīng)行為示意圖
人類大腦中約含有100億個神經(jīng)元。神經(jīng)元通過突觸結(jié)構(gòu)彼此連接構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行信息交流整合，是執(zhí)行大腦各種生理功能的物質(zhì)基礎(chǔ)。神經(jīng)元功能調(diào)控紊亂是神經(jīng)精神疾病發(fā)生的重要原因之一，也是相關(guān)疾病干預(yù)治療的重要靶點。谷氨酸是腦內(nèi)主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，對應(yīng)的谷氨酸受體在神經(jīng)元突觸部位的表達水平，是突觸信息傳遞效率及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活性的決定因素。
AMPA型谷氨酸受體在突觸后膜中的表達定位和功能調(diào)控，決定興奮性突觸傳遞活性的強度，同時神經(jīng)元活性依賴此過程。神經(jīng)元內(nèi)AMPA受體的轉(zhuǎn)運調(diào)控過程決定其在突觸后膜的動態(tài)變化，也是突觸可塑性（長時程增強LTP和長時程抑制LTD）產(chǎn)生的關(guān)鍵前提。AMPA受體是由不同的GluA1/2/3/4亞基組合構(gòu)成的四聚體復(fù)合物。已知這些亞基的多種蛋白質(zhì)翻譯后修飾（磷酸化、糖基化和棕櫚?；?，參與調(diào)控突觸后膜AMPA受體的動態(tài)轉(zhuǎn)運過程。雖然泛素化-蛋白酶體系統(tǒng)介導(dǎo)的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性調(diào)控在突觸傳遞和可塑性中發(fā)揮重要作用，但科研人員對AMPA受體泛素化調(diào)節(jié)的分子機制以及如何影響興奮性突觸傳遞活性仍知之甚少。目前，已明確的AMPA受體E3泛素連接酶有Nedd4、Nedd4L、APCCdh1和RNF167。它們參與興奮性突觸傳遞活性調(diào)控，并介導(dǎo)AMPA受體蛋白穩(wěn)定性調(diào)控紊亂。同時，它們或與相關(guān)神經(jīng)疾病發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，例如，與癲癇相關(guān)的Nedd4L基因點突變影響GluA1受體的泛素化，從而導(dǎo)致神經(jīng)元過度興奮。然而，關(guān)于AMPA受體泛素化調(diào)控在興奮性突觸功能調(diào)控中的作用及分子機制，以及這種分子調(diào)控與神經(jīng)疾病之間存在何種聯(lián)系，尚有待深入研究。
中國科學(xué)院昆明動物研究所研究員毛炳宇團隊關(guān)注E3泛素連接酶RNF220在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中的作用機制。研究發(fā)現(xiàn)，RNF220在神經(jīng)細(xì)胞命運決定和神經(jīng)管模式化等發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。一項疾病遺傳研究報道了RNF220純合突變（R363Q和R365Q）導(dǎo)致大腦功能異常，且多種臨床癥狀與突觸調(diào)控功能紊亂相關(guān)，如智力障礙和癲癇。雖然該團隊的前期研究表明該基因在小鼠成年皮層和海馬中高表達，但對RNF220在成熟神經(jīng)元中的泛素化底物和生物學(xué)功能仍不清楚，特別是該分子調(diào)控是否參與突觸調(diào)控及大腦生理功能和病理過程。對此，昆明動物所研究員盛能印、毛炳宇與復(fù)旦大學(xué)教授丁玉強團隊合作，揭示了RNF220作為AMPA受體新型泛素化連接酶在突觸傳遞活性調(diào)控中的功能和分子機制。近日，相關(guān)研究成果以RNF220 is an E3 ubiquitin ligase for AMPA receptors to regulate synaptic transmission為題，發(fā)表在《先進科學(xué)》（Science Advances）上。
為解析RNF220在成熟神經(jīng)元中的功能機制，針對RNF220在成年小鼠大腦中主要表達于皮層和海馬這一特性，科研團隊將RNF220fl/fl條件性敲除小鼠與Emx1-Cre工具鼠雜交，實現(xiàn)在前腦區(qū)域特異性敲除RNF220分子，發(fā)現(xiàn)在此小鼠模型中，大腦皮層和海馬的發(fā)育和形態(tài)結(jié)構(gòu)未見異常，但AMPA受體介導(dǎo)的微小興奮性突觸電流（mEPSC）的振幅和頻率及刺激性興奮性突觸電流（eEPSC）均顯著性增強，而長時程增強LTP能力顯著減弱。同時，神經(jīng)突觸后致密體（PSD）中AMPA受體的表達水平顯著上升，而NMDAR及其他興奮性突觸關(guān)鍵蛋白的表達沒有明顯變化。這一表明，E3連接酶RNF220參與調(diào)控興奮性突觸傳遞和突觸可塑性，并提示可能是通過調(diào)節(jié)AMPA受體的蛋白穩(wěn)定性來發(fā)揮作用。為驗證這一假設(shè)，科研人員結(jié)合體外細(xì)胞和培養(yǎng)海馬腦片及體內(nèi)小鼠模型，發(fā)現(xiàn)GluA1和GluA2受體是RNF220泛素連接酶的直接底物，且RNF220對AMPA受體介導(dǎo)的eEPSC的增強依賴其泛素化連接酶活性。而將GluA1和GluA2受體胞內(nèi)端潛在的RNF220泛素化位點突變后，RNF220不能調(diào)控兩種受體在興奮性突觸后膜的表達定位。此外，RNF220對于AMPA受體的蛋白穩(wěn)定性調(diào)控機制，也參與AMPA受體在神經(jīng)元細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運表達過程。針對上述小鼠模型進行神經(jīng)行為學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)RNF220分子在前腦缺失后，會顯著降低小鼠的短期記憶能力，如恐懼記憶、新物體識別和社交記憶，而其長期記憶水平，如水迷宮和恐懼記憶，則沒有明顯變化。分子生化分析發(fā)現(xiàn)，疾病遺傳發(fā)現(xiàn)的兩種突變R363Q和R365Q，會顯著減弱RNF220與AMPA受體的相互作用及對后者的泛素化調(diào)節(jié)過程。電生理結(jié)果也證實這兩種突變使得RNF220喪失了調(diào)控興奮性突觸傳遞活性的能力。
綜上，該研究發(fā)現(xiàn)RNF220是一種新的AMPA受體的E3泛素連接酶，闡明了RNF220在興奮性突觸傳遞和可塑性調(diào)控及學(xué)習(xí)記憶功能中的作用機制，有助于探究突觸蛋白穩(wěn)定性調(diào)控在大腦生理功能及病理過程中的作用機制。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院及云南省科技廳等的支持。
