（图片来源：Pixabay） 

神经系统的多功能性不仅来源于神经元交流回路的多样性，还与神经元的“可塑性”有关，即在记忆新信息、回路模式发生变化或出现其他突发情况时，神经元改变连接的能力。麻省理工学院Picower学习与记忆研究所的神经科学家的新研究表明，一种位于神经元连接前端（突触）的蛋白能够显著改变一些神经元的沟通方式和可塑性。

研究团队发现，tomosyn蛋白的表达是决定传递信号控制肌肉收缩的“突触前”神经元是“时相性”神经元还是“紧张性”神经元的主要决定因素，时相性神经元通过快速释放大量的神经递质谷氨酸到突触间隙来传递信号，紧张性神经元则只释放一定剂量的谷氨酸，而保留部分。研究表明，由于紧张性神经元保留了部分谷氨酸，如果突触受体开始衰竭，神经元会增加谷氨酸的释放，这种可塑性称为突触前稳态增强（presynaptic homeostatic potentiation，PHP）。时相性神经元几乎没有tomosyn蛋白介导的储备功能，因此不能产生类似的反应。 

携带谷氨酸的圆形囊泡通过结合SNARE蛋白（图示蓝色和黄色）接入细胞膜。在紧张性神经元（左图）中，tomosyn蛋白（棕色和橙色）拦截囊泡并与之结合，防止其接入细胞膜，从而阻止谷氨酸释放到突触间隙中。（图片来源：Littleton实验室/MIT PIcower Institute） 

Troy Littleton是一位刚在eLife上发表了研究的资深作家，也是MIT生物学与大脑认知科学系和Picower研究所的神经科学教授，他说：“如果你破坏了突触后结构，突触前神经元会感知到这一点并产生更多的神经递质，维持突触信号反应的稳定性。这种重要的适应型可塑性需要tomosyn蛋白的参与。不同神经元可塑性能力的差异取决于神经元是否能正常表达tomosyn蛋白。”

Littleton实验室的长期目标是明确突触的基础运作方式和可塑性的运行机制，因而了解tomosyn蛋白在神经元中功能至关重要。与此同时，该研究的重要性也体现在人类像果蝇一样会产生tomosyn蛋白，具有紧张性和时相性神经元。

诱饵俘获

研究开始前，科学家已经知道tomosyn蛋白是突触前神经元“SNARE”蛋白分子的构成成分。SNARE蛋白能帮助携带谷氨酸等神经递质的囊泡接入神经元的胞膜，并释放神经递质。Littleton表示，tomosyn蛋白还可能是一种对学习、记忆和可塑性十分重要的酶的靶点。

研究生Chad Sauvola领导了Littleton实验室的这项探究tomosyn蛋白真正作用的新研究。他接手了论文共同作者Nicole Aponte-Santiago牵头开始的研究，Nicole Aponte-Santiago是Sauvola研究生时的同学，她在对紧张性和时相性神经元可塑性的研究中对tomosyn蛋白的基因进行了变异处理（但尚未检验）。

Sauvola在开始记录tomosyn蛋白突变神经元的突触信号传递时（突变是为了使tomosyn蛋白失活），他看到突触释放了更多的谷氨酸，肌肉也比以往产生了更加强大的反应。显然，缺失正常的tomosyn蛋白相当于移除了控制谷氨酸释放的刹车。值得注意的是，他发现换入人类的tomosyn蛋白能够修复突变的影响，这意味着tomosyn蛋白具有跨物种的保守性。

为了了解tomosyn蛋白如何工作，Sauvola研究了tomosyn蛋白的结构，并发现tomosyn蛋白会像诱饵一样隔绝质膜上的SNARE蛋白，从而阻止囊泡停靠在膜上。他借助对神经元的电子显微镜观察证实了这一点：缺失tomosyn蛋白的突触上接入质膜的囊泡比表达tomosyn蛋白的突触多50%。他还特意刺激突触，促使谷氨酸释放，随后发现正常的tomosyn蛋白能够调控野生型动物的突触活动，而突变的tomosyn蛋白则无法控制突触间谷氨酸的传递数量。

鲜明的差异

鉴于紧张性和时相性神经元释放谷氨酸行为的差异，Sauvola决定检测这些细胞中tomosyn蛋白的含量。结果发现较弱的紧张性神经元的tomosyn蛋白的数量是较强的时相性神经元的两倍以上，这意味着是tomosyn蛋白含量导致了谷氨酸释放模式的差异。

为了明确tomosyn蛋白是否发挥着这样关键性的作用，Sauvola在紧张性和时相性神经元中做了更多的刺激实验。与预计的一样，正常动物受刺激后时相性神经元比紧张性神经元释放了更多的谷氨酸。然而在tomosyn蛋白变异后，两种神经元的表现相似，紧张性神经元会释放更多的递质，与时相性神经元类似。

保障可塑性

如果tomosyn蛋白的功能是阻止紧张性神经元中的囊泡释放谷氨酸，那么这可能就解释了为什么只有紧张性神经元表现出PHP可塑性。事实也确实如此，Sauvola通过干扰肌肉细胞的谷氨酸受体诱导PHP反应，他发现缺乏tomosyn蛋白的紧张性神经元同时相性神经元一样并不具备PHP可塑性。但是当他观察正常紧张性神经元的反应时，他看到突触一个接一个地释放大量的谷氨酸，甚至之前似乎没有释放倾向的突触也获得了巨大的突触递质释放能力。

Littleton说：“那的确是我意料之外的奇妙发现，这些弱小的突触能瞬间表现得非常成熟，这一点实在是十分令人惊讶。” 

（图片来源：Pixabay） 

Littleton说，实验室接下来的工作之一是研究需要PHP时是什么分子相互作用机制让tomosyn蛋白松开刹车的。另外，未来的方向还包括研究其他神经元中，尤其是大脑神经元中的tomosyn蛋白的含量变化以及该变化对突触输出的影响。

但是新研究结果明确地表明了tomosyn蛋白能阻止SNARE蛋白和囊泡结合，影响谷氨酸释放，从而使得紧张性神经元和时相性神经元的信息传递方式存在巨大差异。

撰文：除了Sauvola、Littleton和Aponte-Santiago，论文的其他作者还有Yulia Akbergenova和Karen Cunningham。 

翻译：陈振翀

审校：先雨

引进来源：麻省理工学院