从解剖学和功能角度来看,中脑到纹状体的多巴胺能连接分为两个不同的通路:黑质纹状体和中脑边缘通路。黑质纹状体通路将来自黑质致密部(SNc)的多巴胺能信号传递到背纹状体(尾壳核[CPu]),主要调控运动功能,参与帕金森氏病和亨廷顿病。中脑边缘通路将多巴胺能信号从腹侧被盖区(VTA)传递到腹侧纹状体(伏隔核[NAc]),主要负责奖赏、情绪和动机行为。
这两种多巴胺环路在大脑发育过程中形成特定的突触连接,行使特定功能,但调控这种特异突触连接形成的分子机制未知。转化生长因子 β(TGF-β)蛋白是在体细胞组织的发育和稳态过程中至关重要的细胞因子,可分为TGF-β配体和骨形态形成性蛋白(BMP)配体,激活下游信号SMAD。
2023年8月17日哈弗大学医学院波士顿儿童医院Hisashi Umemori研究团队在cell杂志上发表文章揭示了BMP6/2–SMAD1信号驱动黑质纹状体通路突触连接形成,TGF-β2–SMAD2驱动中脑边缘通路突触连接形成。
1
Bmp6/2富集表达在CPu,
Tgfb2 富集表达在NAc脑区
突触发育的一个典型特征为突触囊泡在神经末梢的积聚。免疫荧光实验发现在大鼠纹状体突触囊泡聚集发生在出生后第4天,突触囊泡数量迅速增多出现在出生后第7天到第10天,随后缓慢增加到3周龄后不再增加。多巴胺能轴突在出生后第4天逐渐增加,在3周龄后几乎不再增加,表明该关键期内存在诱导多巴胺能突触前分化的关键因子。进一步的离体实验发现在出生后第7天为神经元分泌因子促进轴突分化为突触前位点的关键期,并且以分子量10-30KD之间的蛋白分泌增加最为明显。
为进一步揭示调控突触发育的分子,研究人员对出生后1周大鼠的CPu和NAc组织进行单细胞测序,发现CPu组织富集表达差异性表达基因Bmp6, Tgfa和Bmp2(Bmp2和Bmp6属于转化生长因子-β家族),NAc组织富集表达Tgfb2。分子实验进一步证实了出生后第4天到第7天CPu脑区Bmp6 和 Bmp2 mRNAs水平显著升高,NAc脑区Tgfb2 mRNAs水平显著增加。
图1:发育过程中Bmp6, Tgfa2和Bmp2的特异性表达
2
Bmp6/2调控黑质纹状体通路突触发育,
TGF-β2调控中脑边缘通路突触发育
离体细胞实验也发现Bmp6 和 Bmp2可特异性增加SNc区域多巴胺神经元突触发育,不影响VTA脑区多巴胺神经元突触发育;相反的是,Tgfb2 仅促进VTA脑区多巴胺神经元突触发育。通过病毒敲低Bmp6 或 Bmp2可减少CPu脑区多巴胺神经元突触囊泡的数量,敲低Tgfb2 并不影响CPu脑区多巴胺能神经元突触发育,但显著减少VTA脑区多巴胺神经元突触囊泡的数量,表明Bmp6 、 Bmp2和Tgfb2 可特异性影响不同多巴胺通路突触的发育。
图2:BMPR和TGF-βR的表达具有多巴胺通路的特异性
Bmp6 /Bmp2可与BMPR发生结合,激活SMAD1/5/8,Tgfb2可与TGF-βR结合,激活SMAD2/3信号通路,其中仅SMAD1/2表达在中脑。免疫荧光实验发现SNc区域BMPR表达显著高于VTA脑区,VTA区域TGF-βR表达显著高于SNc脑区。BMPR抑制剂可明显抑制SNc-CPu多巴胺通路突触发育,但不影响VTA-NAc多巴胺通路突触发育;TGF-βR抑制剂可明显抑制VTA-NAc多巴胺通路突触发育,但不影响SNc-CPu多巴胺通路突触发育。
图3:SMAD1影响SNc-CPu多巴胺通路突触发育,SMAD2影响VTA-NAc多巴胺通路突触发育
进一步的实验发现BMP6 or BMP2可激活SNc脑区多巴胺能神经元SMAD1,不影响SMAD2;Tgfb2可激活VTA脑区多巴胺能神经元SMAD2,不影响SMAD1。通过构建特异性敲除多巴胺神经元SMAD1和SMAD2敲除小鼠(后续简称 SMAD1 CKO小鼠和SMAD2 CKO小鼠),发现发育期中SMAD1 CKO小鼠CPu脑区突触囊泡数量减少,SMAD2 CKO小鼠NAc脑区突触囊泡数量减少。行为学测试发现SMAD1 CKO小鼠主要表现为运动功能障碍,SMAD2 CKO小鼠表现为奖赏功能障碍。
图4:特定信号通路调控不同多巴胺通路突触发育的机制图
总结
本文揭示了发育期调控不同多巴胺通路突触连接的分子信号机制:BMP6/2–SMAD1信号驱动黑质纹状体通路突触连接形成,TGF-β2–SMAD2驱动中脑边缘通路突触连接形成。
【参考文献】
Terauchi et al., The projection-specifific signals that establish functionally segregated dopaminergic synapses, Cell (2023),
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.07.023
文章中图片均来自于参考文献
查看原图 211K