研究發現谷氨酸受體信號肽在神經突觸傳遞中的新功能

　　人的大腦中約含有100億個神經元，它們通過神經突觸這一個獨特而又基本的結構實現信息傳遞交流和整合。突觸前神經元釋放的神經遞質，進入突觸間隙之后會與定位于突觸后膜的神經遞質受體相結合，引起突觸后神經元活性變化，從而實現神經信息的跨細胞傳遞。這一過程的調控異常被認為是神經精神疾病發生的重要原因之一，也是相關疾病干預治療的重要靶點。

　　在大腦內，谷氨酸是主要的興奮性神經遞質傳遞，與其對應的谷氨酸受體在神經元突觸部位的表達水平，則是突觸信息傳遞的效率和神經網絡活性重要決定因素之一。谷氨酸受體在神經元中需要轉運至細胞膜，以及定位到突觸后膜，這對于大腦行使正常生理功能過程至關重要。

　　KAR型谷氨酸受體在中樞神經系統中發揮重要調節功能，與多種神經精神疾病的發生發展密切相關。中國科學院昆明動物研究所研究員盛能印長期從事KAR受體相關研究，并在前期工作中取得一系列研究成果（Elife 2015；JBC 2017；PNAS 2017）。發現其關鍵性亞基成員GluK1和GluK2雖然同源性很好，但在神經元中的轉運活性是完全不同的，GluK1缺乏自主轉運能力，而GluK2具有自主轉運能力。此外，這兩種受體轉運能力的差異是由它們自身細胞外氨基端功能結構域所決定的。

　　昆明動物所盛能印課題組與南京大學模式動物研究所石云課題組就這一科學問題展開深入合作，揭示了信號肽調控谷氨酸受體在神經細胞中轉運活性的非經典功能，研究成果以Signal peptide represses GluK1 surface and synaptic trafficking through binding to amino-terminal domain 為題，于11月19日在線發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

　　為了解析KAR受體的轉運調控機制，依據GluK1和GluK2蛋白結構的相似性，研究人員構建一系列嵌合型突變受體，利用電生理膜片鉗技術，在海馬培養腦片的興奮性CA1神經元中分析這些KAR突變受體的突觸傳遞活性。在研究過程中，他們意外發現GluK1的信號肽發揮著關鍵性調控作用。當將GluK1受體的信號肽替換為GluK2信號肽時，GluK1受體則成功定位于突觸后膜，并且該GluK1(SPGluK2)突變受體能夠成倍地增強突觸后電流大小，其幅度與野生型GluK2類似。研究人員推測，該現象存在兩種可能性：第一，GluK2的“超級”信號肽賦予了GluK1額外的突觸轉運能力；第二，GluK1信號抑制了其本身所具備的突觸后膜轉運能力。為了區分這兩種可能性，他們首先利用GluA1受體的“弱”信號肽，因為有研究表明在神經元中表達GluA1并不能增強突觸活性，結果發現所構建的GluK1(SPGluA1)受體同樣可以增強突觸電流大小。更為直接的實驗證據是，當將GluK1的信號肽和GluK1(SPGluK2)共同表達在同一個神經元中時，GluK1(SPGluK2)受體的增強突觸活性的能力則被完全抑制，表明GluK1的信號肽對于GluK1的突觸定位具有反式抑制作用。

　　有研究表明，在某些GPCR受體中，信號肽不被切割以發揮調控作用。因此，研究人員通過構建不同的帶有分子標簽的受體突變體，通過生物化學分析，發現在成熟的GluK1和GluK2受體中，其信號肽均被有效切割。進一步的解析發現，GluK1的信號肽和氨基端結構域（ATD）有著協同效應以發揮抑制作用，缺一不可。若將GluK1的ATD替換為GluK2的對應序列，同樣可以解除GluK1信號肽的抑制轉運功能。生物化學實驗進一步證明GluK1的信號肽是通過與GluK1的ATD直接相互作用，以形成抑制性復合物，該作用機制也在GluK1細胞膜轉運過程中發揮作用。因此，該研究發現，GluK1受體的信號肽能夠作為非常規配體，與其ATD結構域相互作用，從而調節GluK1受體胞內轉運和突觸定位過程。

　　傳統觀點認為，信號肽只是新合成蛋白的胞內定位的編碼信號，它只是負責將新合成的肽鏈導入內質網，以使其進入分泌途徑或者定位到細胞膜。一般來說，在內質網膜上，信號肽會被信號肽酶從成熟的蛋白質中切割下來，其即完成了其生物學功能。然而，該項研究工作發現GluK1的信號肽除了指導GluK1進入內質網的經典功能之外，釋放的信號肽仍與受體相互結合，發揮調控其后續轉運活性的非經典作用，這也是在谷氨酸受體的信號肽研究方面的首次發現。該研究也揭示了谷氨酸受體突觸轉運的新調控機制，為進一步闡明興奮性突觸傳遞活性調控機制及相關神經精神疾病的發病機理提供了重要理論基礎。

　　南京大學博士生段桂芳為文章的第一作者，盛能印和石云為文章的共同通訊作者。該研究受到國家基金委、中科院戰略先導B專項（動物復雜性狀的進化解析與調控）、中科院百人計劃、科技部、遺傳資源與國家重點實驗室開放課題等的資助。

　　（A-D）GluK1受體信號肽通過反式作用抑制其突觸轉運活性。腦片神經電生理膜片鉗分析：（A-B）將GluK1受體信號肽替換為具有突觸定位活性的谷氨酸受體（GluK2或GluA1）信號肽后，嵌合型受體突觸傳遞活性；（C-D）GluK1信號肽反式抑制作用。（E）GluK1信號肽作用機制模式圖：其切割釋放后與受體細胞外氨基端關鍵結構域形成抑制復合物。