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突觸前穩態可塑性（PHP）是一種強大的適應性可塑形式，已在多種突觸中被證實存在，包括果蠅谷氨酸能神經肌肉接頭（NMJ）、哺乳動物（包括人類）的膽堿能神經肌肉接頭以及哺乳動物大腦中的谷氨酸能突觸。

基于此，2025年6月30日，加州大學舊金山分校生物化學與生物物理學系Graeme W. Davis研究團隊在Neuron雜志發表了“A unifying mechanism for presynaptic homeostatic plasticity at mammalian peripheral and central synapses”揭示了哺乳動物外周與中樞突觸前穩態可塑性的統一機制。

作者提出，分泌型III類信號素作為一種跨突觸信號在不同類型的突觸中都是實現PHP所必需的統一機制。Sema3a能夠快速誘導膽堿能小鼠神經肌肉接頭以及成年海馬（CA1區域）突觸的穩態可塑性，并且還能增強抑制性突觸傳遞的跨模態效能。三維電鏡分析顯示，Sema3a在PHP過程中促使突觸前部穩定并維持突觸結構的組織完整性。從作用機制上看，Sema3a促進囊泡從非釋放狀態向循環池和易釋放池重新分布。此外，突觸前信號轉導依賴于PlexinA4和整合素β-1（ITGB1）共受體的共同激活，這種機制在多個系統中普遍存在。PHP共同機制的廣泛存在，進一步凸顯了模式生物在揭示神經元抵抗腦疾病與損傷潛力方面的轉化價值。

圖一 Sema3a對小鼠神經肌肉接頭處的突觸前穩態可塑性是必需的

Sema3a基因在突觸后的骨骼肌中表達包括小鼠膈肌。為了研究Sema3a在突觸前穩態可塑性（PHP）中的作用，作者使用了Sema3aK108N突變小鼠，該小鼠在Sema3a基因中攜帶一個點突變，阻斷其通過神經纖毛蛋白1（Nrp1）受體的信號傳導，Nrp1在支配膈肌的運動神經元中表達。Sema3aK108N突變小鼠出生比例正常，成年后體重也無明顯差異。在成年小鼠NMJ上，可通過應用低濃度（0.1μM）乙酰膽堿受體拮抗劑筒箭毒堿快速誘導PHP。在對照條件下，筒箭毒堿降低了平均mEPP幅度，但由于突觸前囊泡釋放增強，誘發終板電位（EPP）恢復至基線水平。接下來作者發現，在Sema3aK108N雜合突變體中PHP顯著減弱，在純合突變體中則完全被抑制。具體而言，在突變型NMJ應用筒箭毒堿后，平均QC沒有明顯變化，EPP幅度顯著下降，表明PHP受損。Sema3a具有急性調控作用，是PHP快速誘導及其“精度”維持所必需的。進一步研究了Sema3a是否在成年海馬CA1區域表達，結果顯示，Sema3a-shRNA半球中的Sema3a信號顯著減少。此外，作者注意到Sema3a也在腦血管內皮細胞中表達，而這些細胞不受人突觸素啟動子驅動的AAV9-Sema3a-shRNA影響。這部分稀疏的、可能來自內皮細胞的信號在對照和shRNA半球之間保持一致，作為RNAscope實驗的陽性對照。未在GFAP陽性星形膠質細胞中檢測到Sema3a表達。因此，Sema3a在成年海馬CA1的錐體神經元中表達。

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圖二 Sema3a在成年小鼠大腦中表達并且是突觸前穩態可塑性所必需的

作者使用AAV9-Sema3a-shRNA進行敲低實驗以測試Sema3a是否對海馬的突觸前穩態可塑性（PHP）是必需的。結果顯示，Sema3a敲低對基礎的自發和誘發突觸傳遞沒有影響，這一結果與果蠅和小鼠NMJ的數據一致。接下來，作者采用“鈣輸入-輸出”范式評估PHP。在低外鈣條件下記錄的平均誘發EPSC幅度定義為單位EPSC（Qepsc），而在高外鈣條件下的最大EPSC被稱為EPSCmax。預先孵育AMPAR特異性拮抗劑GYKI（15分鐘，5μM），并在其持續存在下記錄，結果顯示Qepsc幅度平均下降約50%，而EPSC幅度與未加GYKI條件下無明顯差異，這是PHP的典型特征。還觀察到Qepsc幅度與估算的量子含量（EPSCmax/Qepsc）之間存在顯著負相關，這與果蠅、小鼠和人類NMJ上報道的PHP精確性一致。在Sema3a敲低后重復上述實驗，發現在不加GYKI的情況下Qepsc幅度正常；加入GYKI后，其下降程度與野生型神經元相似。然而，EPSCmax幅度在GYKI存在時仍保持較低水平，Qepsc與估算QC之間的負相關性消失。綜上所述，Sema3a是海馬突觸前穩態可塑性所必需的。

圖三 在PHP過程中，RRP的穩態擴增

在海馬和小腦突觸中， PHP表現為易釋放囊泡池（RRP）的擴大。為了測試Sema3a是否參與其中，作者采用鈣輸入-輸出范式標準化刺激強度，隨后給予20Hz的刺激串（共80次刺激）。在預先孵育GYKI的條件下，刺激串過程中累積的EPSC幅度得以維持，并且RRP估算值增加，這是PHP的典型特征。然而，在Sema3aK108N純合突變體中，EPSC在刺激串過程中無法維持，RRP也沒有出現增強。重要的是，急性應用重組野生型Sema3a蛋白可以挽救Sema3aK108N突變引起的缺陷（蛋白濃度100nM，孵育40分鐘）。相反，在對照腦片中應用Sema3aK108N突變型重組蛋白可急性阻斷與PHP相關的RRP擴增。作者進一步分析了短程釋放動力學以及刺激誘發的短期突觸抑制后的恢復情況。在刺激串過程中，未觀察到與基因型或PHP明顯相關的短程釋放動力學差異。

圖四 Sema3a對結構型突觸前穩態可塑性是必需的

當Sema3a信號持續受到破壞時，突觸會發生什么變化？在哺乳動物大腦中，如果PHP長期缺失，是否會伴隨出現特定的突觸表型？為了回答這些問題，作者對成年小鼠海馬CA1區的樹突、軸突和突觸進行了三維體積電子顯微鏡重建分析。構建了25×25×5微米的體積圖像并使用透射電鏡（TEM）進行成像，方法參考近期發表的研究。首先發現來自同窩對照組和Sema3aK108N純合突變體的小段樹突在形態上高度相似，平均樹突棘密度沒有差異。兩種基因型的突觸神經Neuropil結構復雜度相當，活性區也發育良好。接著，對每一段重建的樹突進行追蹤，并重建與該樹突上每一個樹突棘形成突觸連接的軸突。結果未發現明顯的定性差異，也沒有觀察到退化跡象。然而，定量分析顯示：突變體中活性區密度減少了20%，每微米軸突長度內的突觸囊泡數量減少了35%。這些數據表明，Sema3a可能在突觸小結中起到穩定囊泡簇的作用。加入GYKI后，活性區面積顯著增加了64%。但在Sema3aK108N純合突變體中，這種效應明顯減弱。此外，也觀察到GYKI引起的樹突棘體積增加，而這一變化在Sema3aK108N突變體中不受影響，說明在PHP過程中，活性區擴展與樹突棘生長機制是分離的。最后，作者發現GYKI處理后docked囊泡數量顯著增加了139%，而在Sema3aK108N突變體中完全被阻斷。而在Sema3aK108N突變體中，無論是否加入GYKI，這一比例均無明顯變化。結果表明，Sema3a對于活性區面積和docked囊泡池的穩態調控是必需的，它為結構型和功能型PHP提供了關鍵的機制聯系。

總結

作者鑒定出Sema3a-PlexinA4-ITGB1是一種統一的跨突觸信號機制，對于多種不同類型的突觸上的突觸前穩態可塑性是必需的，這些突觸包括果蠅的谷氨酸能神經肌肉接頭、哺乳動物的膽堿能神經肌肉接頭，以及成年小鼠海馬中的突觸。研究表明，并進一步表明該信號通路在海馬中參與調控跨模態抑制性可塑性及突觸囊泡池的結構與功能重塑，可能有助于理解人類健康與疾病中神經元抵抗能力的機制基礎。

文章來源

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2025.05.030