3C复合物决定树突棘命运

3C复合物决定树突棘命运

科学家通过对体外培养的神经元进行活细胞成像，发现在单个树突棘上局部富集3C复合物可同时引起被操作树突棘的增大和相邻树突棘的缩小或消失。通过光遗传学手段激活单个树突棘，并与相邻未激活的树突棘比较，发现了类似的树突棘命运分化：前者增大而后者被修剪，并且这一过程依赖于3C复合物在两个树突棘中的重新分布。这种树突棘的命运分化取决于两个树突棘之间的物理距离和N-钙黏着蛋白的运动性，不依赖于蛋白合成或降解，进一步说明两个树突棘是对现存的3C复合物进行竞争，不是各自对其进行合成或降解。

小鼠触须的感觉刺激输入与相应脑区发育过程中树突棘修剪竞争模型

（a）小鼠触须接收到的感觉刺激传入到躯体感觉皮层神经元（虚线为其传导途径）；（b）躯体感觉皮层桶状区域第2/3层锥体神经元的树突棘示例；（c）躯体感觉皮层神经元树突棘数目在正常（绿色）和修剪缺陷（灰色）情况下随年龄变化的趋势；（d）钙黏着蛋白/连环蛋白复合物介导树突棘修剪的竞争模型：由感觉经验所带来的神经电活动增强导致相邻树突棘之间相互竞争胞内钙黏着蛋白/连环蛋白复合物，这一竞争导致后者在树突棘之间的重新分布：获得复合物较多的树突棘得以存留、成熟，而失去该复合物的树突棘则被修剪。

在体条件下，通过结合小鼠基因操作和定点病毒注射，使小鼠桶状皮层中的一部分树突棘在突触前拥有更高的3C黏附水平。实验结果发现在经历了正常修剪之后，这些树突棘更多地被保留下来，且形态更成熟，而其邻近的低黏附的树突棘则更多地被修剪掉。进一步的实验表明，感觉经验对于树突棘修剪和成熟的调控也依赖于3C复合物的作用。(https://www.daowen.com)

虽然距完全解开大脑可塑性的奥秘还很遥远，但通过这些工作知道，在青春期的神经环路精确化过程中，存在一类关键且有限的分子资源。这类能够促进细胞黏附的3C复合物能够加强树突棘和它的突触前“小伙伴”——轴突末端——之间的黏附作用，从而使树突棘变得更稳定。然而好东西总是稀少的，细胞内正常的3C复合物并不能满足每个树突棘的需求，因此相邻的树突棘之间就会产生对这类分子的竞争。那些接受强输入的树突棘更容易在这样的竞争中胜出，抢夺到更多3C黏附复合物。一旦最初的优势形成，便一发而不可收，越来越多的3C复合物以一种正反馈的方式不断积累到获胜的树突棘中，而那个失败的树突棘不断失去3C复合物，只能任由自己的结构松散、崩溃，最后难逃被修剪的命运。神经系统以这样一种简单的竞争机制保证了使用频率较高、输入较强的环路联接被保留下来并得以强化，而使用频率低、输入较弱的联接被去除，从而使系统资源得到最优化的分配，神经环路的联接更加精确。这一基于有限分子资源的竞争分配机制，在亚细胞层面印证了那条“用之或弃之”的神经科学基本概念，拓展了对于神经环路精确化和大脑可塑性的理解，且很可能代表了生物系统的一种普遍策略。

（审稿：顾勇　何杰）

参考文献

边文杰，于翔.2015.树突棘的动态变化与调控机制.生命科学，27（3）： 294-305.

W J Bian，Miao W Y，He S J，et al.2015.Coordinated spine pruning and maturation mediated by interspine competition for cadherin/catenin complexes.Cell，162（4）： 808-822.