撰文丨我的閨蜜老紅帽

動作電位（ Action potentials ，APs）通過打開鈣離子通道 來驅動 神經遞質釋放。鈣離子激活感應蛋白， 隨后 觸發 神經遞質 釋放過程【1】。 由于鈣離子 濃度 梯度的 變化大， 持續時間短， 因此 這個過程中 并 沒有建立化學平衡。這使得鈣離子通道和感應蛋白之間的物理耦合距離 ， 以及細胞內鈣離子對釋放過程的敏感性 ， 在控制 神經遞質 釋放的速度、可靠性和可塑性方面處于中心地位【2-7】。

雖然物理耦合距離已經在不同的突觸上進行了詳細的研究，但在細胞內鈣離子釋放的敏感性方向尚未得到深入的研究。Synaptotagmin- 1 （ Syt1 ）和 Syt2 是大腦中同步釋放的主要鈣離子傳感器【1】。 Syt2 是后腦突觸的主要傳感器，而 Syt1 是 前腦突觸，特別是在新皮層 的 主要傳感器。 Syt2 觸發谷氨酸釋放的鈣離子敏感性已經 在 突觸前鈣離子 濃度 和遞質釋放率 等方向進行 詳細量化，從而建立了鈣離子結合釋放與五個協同鈣離子結合位點的動力學模型【2,3】。在隨后的工作中，該 Syt2 動力學 模型已被擴展到 研究 細胞內鈣離子濃度 變化的相關因素，包括 異步釋放、發育改變、 Syt2 觸發的 γ- 氨基丁酸（ GABA ）釋放以及突觸可塑性 等 。

新皮層突觸小結 是指 大腦新皮層中神經元軸突末端的突觸小結。新皮層是大腦皮層的一部分，是大腦中負責高級認知功能的區域。這些突觸小結是神經元之間傳遞信號的關鍵部位，在神經信息的傳遞和處理過程中發揮著重要作用。目前，對于 Syt1 啟動 的新皮質突觸釋放鈣離子敏感性 仍舊 缺乏相應的定量細節。由于谷氨酸能新皮質突觸體積小且位于軸突 - 樹突位置，因此與巨型【2,3】或軸突 - 體細胞【6】表達 Syt2 的突觸相比， 其 實驗條件 并不理想 。突觸小結的軸突 - 樹突位置給連接突觸小結的識別帶來了相當大的困難。

近期，來自 德國 Leipzig University 的Hartmut Schmidt研究組在 Science 上發表題為

The

intracellular Ca

2+

sensitivity of transmitter release in glutamatergic neocortical boutons

首先，作者 用紫外激光光解 分析來 識別連接 Syt1 的突觸小結。 來自小鼠初級體感皮層的單細胞 RNA 測序數據顯示，第 5 層錐體神經元 （ L5PNs ） 表達 Syt1 ，但不表達 Syt2 ，整個皮層和純化皮層神經元的 RNA 測序數據 均有類似現象 。作者利用免疫組織化學在蛋白水平上 也 證實了這一點。作者結合了紫外線激光鈣離子釋放與定量綠 / 紅（ G/R ）雙光子鈣離子成像 ，繪制出 在 S1 的 L5PN 突觸。 L5PN 之間典型的突觸連接是由分布在基底樹突上的幾個突觸小結形成的。突觸小結位于突觸后體細胞附近（ <100 μm ）。 L5PNs 突觸鈣離子釋放的依賴性 ， 具有較高的鈣離子親和力和正協同性。

接下來，作者對神經遞質 釋放 - 突觸前 鈣離子 依賴性的劑量 - 反應曲線 進行繪制。 為了了解劑量 - 反應曲線的動態范圍是否與生理相關， 作者 量化了 AP 介導釋放的 鈣離子 依賴性 ， 分析了 神經遞質 釋放對細胞外 鈣離子 濃度的依賴性。相應的累積釋放率在較低 鈣離子濃度 （ ≤2 mM ）時呈典型的單指數，在較高 鈣離子濃度 （ ≥5 mM ）時呈典型的雙指數。 作者還 繪制了 EPSCs 的峰值振幅和相應的峰值釋放率相對于各自的 鈣離子濃度的曲線 。 這 兩條曲線均 呈 S 型。這些數據表明， AP 誘發釋放率跨越了光解誘發釋放的劑量 - 響應曲線的動態范圍，曲線的動態范圍反映了生理學上最相關的范圍。

最后，作者研究在神經遞質釋放過程中， Syt1 和 Syt2 之間的功能差異 。 為了定量了解 L5PN 突觸處鈣離子觸發的釋放動力學，并與 Syt2 觸發的釋放進行比較， 作者 建立了一個能夠描述實驗光解劑量反應曲線的動力學模型。小腦浦肯野細胞突觸的測量和動力學模型 表明 ， Syt1 與 Syt2 觸發釋放相比存在實質性差異。 Syt1- 控釋機制在中等鈣離子濃度下具有 更 高 的 可靠性和可控性。

綜上所述， 在這項工作中，作者量化了L5PNs的突觸中Syt1-觸發釋放的鈣離子依賴性，精準描述了Syt1觸發的新皮質突觸小結釋放的鈣離子依賴性的動力學特征，并展示了Syt1與Syt2觸發的小腦突觸小結釋放的主要差異。

文章來源

https://doi.org/10.1126/science.adp0870

制版人： 十一

參考文獻

1. T. C. Sü dhof,Angew. Chem. Int. Ed.53, 12696–12717 (2014).

2. R. Schneggenburger, E. Neher,Nature406, 889–893 (2000).

3. J. H. Bollmann, B. Sakmann, J. G. Borst,Science289, 953–957 (2000).

4. E. Eggermann, I. Bucurenciu, S. P. Goswami, P. Jonas,Nat. Rev. Neurosci.13, 7–21 (2012) .

5. G. Bornschein, H. Schmidt,Front. Mol. Neurosci.11, 494 (2019).

6. T. Sakaba,Neuron57, 406–419 (2008).

7. H. Taschenberger, A. Woehler, E. Neher,Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113, E4548– E4557 (2016).

8. I. Bucurenciu, A. Kulik, B. Schwaller, M. Frotscher, P. Jonas,Neuron57, 536 –545

(2008).

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