科学进展:发现AMPA受体泛素化在兴奋性突触功能调节中的新机制

来源：昆明动物研究所2022年10月24日10:40

人脑中大约有100亿个神经元。神经元通过突触结构相互连接，形成信息交换和整合的神经网络，是执行大脑各种生理功能的物质基础。

RNF220作为一种新的AMPA受体泛素化连接酶调节突触活性和神经行为的示意图

人脑中大约有100亿个神经元。神经元通过突触结构相互连接，形成信息交换和整合的神经网络，是执行大脑各种生理功能的物质基础。神经元功能障碍是神经精神疾病的重要病因之一，也是相关疾病干预和治疗的重要靶点。谷氨酸是大脑中主要的兴奋性神经递质，相应的谷氨酸受体在神经元突触中的表达水平是突触信息传递效率和神经网络活动的决定因素。

突触后膜AMPA-A谷氨酸受体的表达和功能调节决定了兴奋性突触传递活动的强度，神经元的活动依赖于这一过程。神经元中AMPA受体转运的调节过程决定了其在突触后膜中的动态变化，这也是突触可塑性的关键前提(长时程增强LTP和长时抑制LTD)。AMPA受体是由不同的GluA1/2/3/4亚单位组成的四聚体复合物。已知这些亚基的多种蛋白质翻译后修饰(磷酸化、糖基化和棕榈酰化)参与调节突触后膜中AMPA受体的动态转运。虽然泛素化-蛋白酶体系统介导的蛋白质稳定性调节在突触传递和可塑性中具有重要作用，但研究人员对AMPA受体泛素化调节的分子机制及其如何影响兴奋性突触传递活动仍知之甚少。目前已知的AMPA受体E3的泛素连接酶有Nedd4、Nedd4L、APCCdh1和RNF167。它们参与兴奋性突触传递活动的调节，并介导AMPA受体蛋白稳定性的调节障碍。同时，它们可能与相关神经系统疾病的发生发展密切相关。比如癫痫相关的Nedd4L基因的点突变影响GluA1受体的泛素化，导致神经元过度兴奋。但是，AMPA受体泛素化调节在兴奋性突触功能调节中的作用和分子机制，以及这种分子调节与神经系统疾病的关系，都需要进一步研究。

中国科学院昆明动物研究所毛研究员关注了泛素连接酶RNF220在中枢神经系统发育中的作用机制。已经发现RNF220在神经细胞的命运决定和神经管建模中起重要作用。一项疾病的遗传学研究报道，RNF220 (R363Q和R365Q)的纯合突变导致脑功能异常，许多临床症状与突触调节功能障碍有关，如精神发育迟滞和癫痫。虽然该团队前期的研究表明该基因在小鼠成年皮层和海马中高表达，但对于RNF220在成熟神经元中的泛素化底物和生物学功能，尤其是分子调控是否参与突触调控、脑生理功能和病理过程仍不清楚。对此，昆明动物研究所的盛能银和毛研究员与复旦大学的丁玉强教授合作，揭示了RNF220作为AMPA受体的一种新的泛素化连接酶在突触传递活动调节中的功能和分子机制。最近，相关研究成果发表在《先进科学》(科学进展)上，题目是RNF220IS是一种E3泛素连接酶，用于AMPA受体调节突触传递。

为了分析RNF220在成熟神经元中的作用机制，针对RNF220主要在成年小鼠的皮层和海马中表达的特点，研究小组将RNF220fl/fl条件性敲除小鼠与Emx1-Cre工具小鼠杂交，特异性敲除前脑中的RNF220分子。发现在该小鼠模型中，大脑皮层和海马的发育和形态结构没有异常。然而，AMPA受体介导的微小兴奋性突触电流(mEPSC)和兴奋性突触电流(eEPSC)的振幅和频率显著增加，而长时程增强能力显著下降。同时，突触后致密物(PSD)中AMPA受体的表达水平显著增加，而NMDAR和其他兴奋性突触关键蛋白的表达没有明显变化。这表明E3连接酶RNF220参与调节兴奋性突触传递和突触可塑性，并提示其可能通过调节AMPA受体的蛋白稳定性发挥作用。为了验证这一假设，研究人员发现，GluA1和GluA2受体是RNF220泛素连接酶的直接底物，RNF220对AMPA受体介导的eEPSC的增强依赖于其泛素连接酶活性。然而，在GluA1和GluA2受体的细胞内末端RNF220的潜在泛素化位点发生突变后，RNF220不能调节这两种受体在兴奋性突触后膜中的表达和定位。此外，RNF220调节AMPA受体的蛋白质稳定性，还参与神经细胞膜中AMPA受体的转运和表达。根据上述小鼠模型的神经行为学分析，发现RNF220分子可显著降低小鼠前脑缺失后的短时记忆能力，如恐惧记忆、新物体识别和社会记忆，而其长时记忆水平，如水迷宫和恐惧记忆，无显著变化。分子分析表明，在该病遗传中发现的两个突变R363Q和R365Q可显著削弱RNF220与AMPA受体的相互作用以及后者的泛素化调控过程。电生理结果也证实了这两个突变使RNF220失去了调节兴奋性突触传递的能力。

综上所述，本研究发现RNF220是AMPA受体的一种新的E3泛素连接酶，并阐明了RNF220在兴奋性突触传递、可塑性调节和学习中的作用。

忆功能中的作用机制，有助于探究突触蛋白稳定性调控在大脑生理功能及病理过程中的作用机制。研究工作得到国家、中科院及云南省科技厅等的支持。

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