Nature Communications 13권, 기사 번호: 3060(2022) 이 기사 인용
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신경 과학에서 중요한 질문은 뉴런이 시냅스 후 구조를 시냅스 전 방출 부위와 어떻게 정렬하는지입니다. 시냅스 접착 단백질이 이 과정에 기여하는 것으로 알려져 있지만, 신경전달물질의 역할은 여전히 불분명합니다. 여기서 우리는 비정규 송신기의 새로운 생합성과 소포 방출이 해당 시냅스 후의 조립을 촉진할 수 있는지 여부를 묻습니다. 우리는 줄기세포 유래 인간 뉴런과 순전히 글루타메이트 동일성을 갖는 생체 내 마우스 뉴런 모두에서 GABA 합성 효소와 소포성 수송체의 이소성 발현이 주변 글루타메이트로부터 GABA를 생산하고 이를 시냅스전 말단에서 전달하는 데 충분하다는 것을 입증했습니다. 이는 시냅스후 GABAA 수용체의 효율적인 축적과 일관된 활성화를 가능하게 하며, 글루타메이트성 대응물과 병렬이지만 독립적으로 작동하는 완전한 기능의 GABA성 시냅스를 생성합니다. 이러한 발견은 신경전달물질 자체의 시냅스 전 방출이 관련 시냅스 후 장치의 구성을 신호할 수 있으며, 이는 뉴런의 시냅스 정체성을 재프로그램하도록 직접 수정될 수 있음을 시사합니다.
뉴런은 시냅스라고 불리는 특별한 구조를 통해 서로 통신합니다. 시냅스가 어떻게 자신의 정체성을 확립하고 유지하는지는 아직 대부분 불분명합니다. 한 이론에 따르면, 시냅스 세포 접착 분자(SAM)는 시냅스 전 및 시냅스 후 구성 요소 사이의 시냅스 통과 상호 작용을 촉진하여 시냅스 형성을 유발합니다. 이 가설을 뒷받침하기 위해 SAM의 이소성 발현은 뉴런과 비뉴런 세포 모두에서 시냅스 생성을 각각 강화하거나 유도할 수 있습니다. 더욱이, 일부 SAM의 개별 유전적 삭제는 시냅스 어셈블리를 완전히 제거하지는 못했지만 다양한 수준으로 시냅스 수를 감소시키는 것으로 보고되었습니다8,9,10.
흥미롭게도 이러한 몇 가지 사례에도 불구하고 대다수의 SAM에 대한 구성적 또는 조건부 녹아웃(KO) 모델은 시냅스 형성에 대규모 손상을 나타내지 않으며 기능적 성숙에만 영향을 미치며, 이는 때때로 후속 손실로 이어질 수 있습니다. 시간에 따른 시냅스11,12,13,14,15. 더욱이, SAM 의존 메커니즘은 아직 다양한 유형의 시냅스 생성을 설명하지 못하고 있는데, 그 이유는 글루타메이트 또는 GABA(γ-aminobutyric acid)에 특이적으로 국한된 여러 시냅스 후 SAM이 유사한 공통 시냅스 전 결합 파트너와 종종 상호 작용할 수 있기 때문입니다. 두 시냅스 유형 모두에 분포되어 있습니다. 따라서 SAM 이외의 대체 세포 신호는 시냅스 생성 및 보완적인 시냅스 장치의 안정적인 정렬을 위해 주로 또는 동시에 필요할 수 있습니다.
시냅스 생성의 두 번째 모델은 신경전달물질 방출이 이 과정을 직접 조절할 수 있음을 의미합니다. 시냅스전 말단에서 생성된 다양한 전달물질에 반응하여 시냅스후 구획은 시냅스에 기능적 특성을 부여하는 독특한 종류의 수용체를 모집합니다. 이 이론은 GABAA 수용체(GABAAR)의 결실이 GABA성 시냅스 하위 집합의 형태와 표적 특이성을 모두 손상시킬 수 있다는 연구 결과에 의해 더욱 강화되었습니다. 송신기 의존형 시냅스 후 배열에 대한 추가 증거는 단일 뉴런 내에서 합성된 다양한 공동 송신기가 종종 별개의 시냅스 후 세포 집단과 접촉하는 독립적인 시냅스 전 말단에서 분리될 수 있다는 최근 관찰에서 얻어졌습니다. 또한 일부 뉴런은 활동 의존 방식으로 송신기 유형 간에 전환할 수도 있으며, 이는 차례로 시냅스 후에서 해당 수용체 수준과 구성을 변경합니다.
아마도 전달물질에 의해 유도된 시냅스 생성에 대한 가장 설득력 있는 사례는 수지상 가지 근처에 있는 '갇힌' 글루타메이트와 GABA의 빠른 광분해가 시냅스후 수용체와 비계 단백질의 국부적 축적을 유발하여 결국 미성숙 시냅스 형성을 초래하여 결과적으로 시냅스 형성에 통합될 수 있음을 입증하는 두 가지 중요한 연구에서 나타납니다. 기존 신경 회로26,27. 이 현상은 또한 광범위한 연령 범위의 동물의 다양한 뇌 영역에 위치한 다양한 신경 하위 유형에서도 성공적으로 재현되었습니다. 그러나 (i) 그러한 메커니즘이 생리학적으로 관련된 시냅스전 신경전달물질 방출 동안 작동할 수 있는지 여부, (ii) 이러한 전달물질에 의해 유도된 초기 시냅스가 추가 형태학적 및/또는 기능적 성숙을 거치는지, (iii) 뉴런 자체의 전달물질 정체성이 있는지 여부는 아직 알려지지 않았습니다. (iv) 방출된 신경전달물질의 변화가 직접적으로 다양한 시냅스 유형의 생성으로 이어질 수 있는지, (v) 이러한 전달물질에 의해 유발된 시냅스가 생체 내, 특히 살아있는 동물에서 발달할 수 있는지 여부 등 외인성 요인을 사용하여 의도적으로 조작될 수 있습니다. 이러한 질문을 해결하면 시냅스가 어떻게 정체성을 형성하고 획득하는지에 대한 기본 원리를 이해할 수 있습니다.
10 ms) decay kinetics, as recorded from human neurons expressing indicated factor combinations. g, h Representative traces g and cumulative histogram of τ-decay h of sPSCs recorded from Ngn2-neurons co-expressing V57 factors, before (Ctrl) and after acute treatments with PTX and/or CNQX (as annotated). i–k. Cumulative probabilities (left) and average values (right) of sPSC half-width (i), amplitude (j), and event frequency (k), measured in the absence (Ctrl) or presence of inhibitors, PTX, CNQX, or both PTX + CNQX. All data are presented as means ± SEM, with number of cells patched / independent batches. Individual data-points are provided as color-matched open circles. For panels e, f, statistical significance was evaluated by Kruskal-Wallis test paired with post-hoc nonparametric Mann-Whitney U-test using Bonferroni correction (see Source Data). For i, j, k, Skewness and Kurtosis values (-2 >≈ and ≈ < 2) suggested normal distribution, as statistical significance was weighed by two-tailed, unpaired, Student’s t-test, with ***P < 0.005; **P < 0.01; *P < 0.05; ns = not significant, P > 0.05. Multiple groups in panel k were also compared by an analysis of variance (one-way ANOVA) paired with post-hoc Tukey-Kramer test, and corresponding P-values were reported./p> = 3 consecutive presynaptic pulses, as recorded from indicated conditions. j Example traces (left) of EPSCs and IPSCs evoked by train of pulses (arrows); Insets are successive paired stimulations of presynaptic inputs with ∆t = 50 ms, presented as superimposed trials (6 consecutive paired-pulses, light shades) with average traces (dark shades). All PSC amplitudes normalized to corresponding 1st pulse (right). Both EPSCs and IPSCs manifested significant synaptic depression, but of a different magnitude possibly due to different extents of desensitization and/or saturation of postsynaptic AMPARs vs. GABAARs, and therefore, could not be directly compared as a proxy for presynaptic release probabilities. All numerical data are means ± SEM, with total number of neurons recorded/experimental batches, and data-points plotted as open circles. Statistical significances were evaluated either by two-tailed, unpaired, Student’s t-test (Skewness and Kurtosis values −2 > ≈ and ≈ < 2), or two-sided, nonparametric Mann-Whitney U-test, for ***P < 0.005; *P < 0.05; ns = not significant, P > 0.05. Multiple groups were compared by one-way ANOVA (i, with P-value)./p>≈ and ≈ < 2), or two-sided, nonparametric Mann-Whitney U-test (Source Data), with ***P < 0.005; **P < 0.01; *P < 0.05; ns = not significant, P > 0.05./p>≈ and ≈ < 2). Hence, statistical significance was primarily assessed by two-tailed, unpaired, Student’s t-test, with ***P < 0.005; *P < 0.05; ns = not significant, P > 0.05. Multiple groups (b and c) were compared by Kruskal-Wallis test paired with post-hoc nonparametric Mann-Whitney U-test, and corresponding P-values were reported./p>≈ and ≈ < 2. Statistical significance was assessed by two-tailed, paired, Student’s t-test, with ***P < 0.005; *P < 0.05; ND = events not detected./p> 0.05./p> = 3 biological replicates were used, and sample sizes were selected so that SEM ≈ < 1/10th of their respective means for most datasets. Except Figs. 3 and 5, investigators were not blinded to allocation during experiments or outcome assessments, because many assays required prior knowledge of drug identity during acute applications (Figs. 1, 2, 6, and 7), transgene combinations (Figs. 1 and 7), or sample collections and processing at specific time-intervals (Fig. 4)./p> ≈ and ≈ < 2), statistical evaluations between conditions were conducted using unpaired (paired for batchwise comparisons), two-tailed, Student’s t-test (***P < 0.005; **P < 0.01; *P < 0.05; ns = not significant, P > 0.05); otherwise, two-sided, nonparametric Mann–Whitney U-test was performed as mentioned in the corresponding figure legends. For all groupwise assessments, the P-values of single-factor ANOVA (for near-normal data distribution) or Kruskal–Wallis test (for considerable deviations from normal distribution) were reported./p>
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