国家自然科学基金申请书

1、申请代码受理部门收件日期受理编号国家自然科学基金申 请 书( 2 0 1 1 版)资助类别：面上项目 亚类说明： 附注说明： 项目名称： 神经元突触形成的定向控制 申 请 者： 徐震东 电话：依托单位：东南大学 通讯地址：江苏省南京市丁家桥路87号 邮政编码： 210009 单位电话：02583790575 电子邮件：申报日期： 2013年12月10日 国家自然科学基金委员会基本信息申 请 人 信 息姓名徐震东性别男出生 年月 1993年9月民族汉学位本科生职称每年工作时间（月）6电子邮箱真

2、国别或地区中国个人通讯地址江苏省南京市丁家桥路87号工作单位东南大学/医学院主要研究领域依托单位信息名称东南大学联系人毕建新电子邮箱 jxbi电话02583790505网站地址 合作研究单位信息单 位 名称 在此录入修改 在此录入修改项目基本信息项目名称 神经元突触形成的定向控制英文名称The control of 资助类别 面上项目亚类说明附注说明 申请代码 基地类别 研究期限 研究属性 申请经费中文关键词 神经元；突触；控制英文关键词neuron;synapse;control;中 文 摘 要（限400字）：突触(synpase)是神经系统功能活动且能够传递信息的结构基础,有功能的神经元间

3、的信息传递必须要有成熟的突触结构，而神经系统的功能活动更是通过无数神经元及其突起建立的神经网络实现的。所以了解突触形成的相关因素及其作用机制对脊髓损伤的神经再生以及深入了解大脑高级功能具有重大的意义。目前，对于突触形成调控因素的了解日渐丰富，另外干细胞在体外也被证实可以分化为神经元细胞。然而干细胞分化成神经细胞后如何形成突触连接而实现信息传递功能，以及突触形成的调控机制是什么，这些尚未可知。而且，在突触可塑性方面的研究也大多局限在突触功能的可塑性。然而在神经元发育及再生中的一个关键步骤就是神经元生长出的突触与正确的靶细胞接触。本项目就是要在以往研究的基础上做出实践性的一跃，即对突触的形成进行控

4、制，使之与我们既定的靶细胞接触。为将来神经系统领域的研究如神经回路等大脑高级功能的科研打好实验技术的基础。英 文 摘 要（限3000Characters）：Synpase is the basic structure of functional activities and information transmission of the nervous system.Information transmission between functional neuronss requests mature structure of synpase, further more the functio

5、nal activities of the nervous system is supported by neural networks setting by countless neurons and nervous process.So having a look at the factors of synpase formation and its mechanism of action has an important meaning to nerve regeneration after spinal cord injuries and knowing about the high

6、grade funtions of our brains.For now,we have known more and more about the factors of controling the formation of synpase,whats more the stem cells are proved to be capable of cell differentiation into neurons in vitro.Then we have the unknowns about how do nerve cells build the synaptic linkage to

7、realise the information transmission and what the mechanism of controling the formation of synpase is.In addition,researches on the synpase compliance focus mostly on the functional compliance.However a key process of neurons growth is the connection between the synpase and the target cells.Our prog

8、ram is meant to take the practicality leap to control the formation of the synpase.We will try to connect the synpase to the established target cell.It will do the ground work for the research into high grade funcyion of brain such as neural circuit in the field of nervous system.项目组主要参与者（注: 项目组主要参与

9、者不包括项目申请人）编号姓 名出生年月性别职 称学 位单位名称电话电子邮箱项目分工每年工作时间（月）1徐震东1993-9-17男本科生东南大学1565180577821565180578232345 在此录入修改6 在此录入修改7 在此录入修改8 在此录入修改9 在此录入修改总人数 高级中级初级博士后博士生硕士生 11说明: 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请人负责填报（含申请人），总人数由各分项自动加和产生。经费申请表 （金额单位：万元）科目 申请经费 备注（计算依据与说明） 一.研究经费 561.科研业务费 23（1）测试/计算/分析费3（2）能源/动力费 2水、电等能源

10、耗费（3）会议费/差旅费 6学术会议及学术交流、培训等相关活动的差旅费用（4）出版物/文献/信息传播费 4论文出版、文献检索和网络搜索等费用（5）其他 8项目实施中的其他相关费用2.实验材料费 33（1）原材料/试剂/药品购置费 28蛋白质、氨基酸处理的相关化学试剂（2）其他 5奶粉购置、实验耗材等3.仪器设备费 （1）购置 （2）试制 4.实验室改装费 5.协作费 二.国际合作与交流费81.项目组成员出国合作交流 5提供课题组成员出国交流相关费用2.境外专家来华合作交流 3邀请国外专家来华讲学、交流等费用三.劳务费12直接参加项目研究的人员的劳务费四.管理费4项目依托单位管理费合 计 80

11、与本项目相关的 其他经费来源 国家其他计划资助经费 其他经费资助（含部门匹配） 其他经费来源合计 报告正文（一）立项依据与研究内容（4000-8000 字）：1. 项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）突触(synpase)是神经系统功能活动且能够传递信息的结构基础,有功能的神经元间的信息传递必须要有成熟的突触结构，而神经系统的功能活动更是通过无数神经元及其突起建立的神经网络实现的。所以了解突触形成的相关因素及其作用机制对脊髓损伤的神经再生以及深入了

12、解大脑高级功能具有重大的意义。突触形成发生在突触发育的早期,国内外学者研究证明许多因素可以促进突触的形成,突触的研究也越来越受到学者们的关注。在这方面，科研的进展也是相当迅速，通过查阅相关文献，科学家们已经在突触形成影响因素的研究上取得一定的收获，尤其是对突触形成调控蛋白的研究，得到了大量宝贵的理论知识。目前，干细胞在体外也被证实可以分化为神经元细胞，然而干细胞分化成神经细胞后如何形成突触连接而实现信息传递功能，以及突触形成的调控机制是什么，这些尚未可知。另外，在突触可塑性方面的研究也大多局限在突触功能的可塑性而对其结构可塑性的研究很少。下面，我们对今年来的相关研究成果做一个综述。脊髓损伤的治

13、疗作为医学界的一大课题，多年来一直是学者们研究的热点，目前干细胞治疗脊髓损伤已被证实疗效确切并展示出喜人的前景。基于干细胞治疗的光明前景，研究也日益扩大和不断深入，主要包括干细胞分化及调控分化后的细胞功能、功能化细胞间突触形成过程及其调控等几个方面。有关研究表明，神经生长因子可促进神经干细胞向神经元的分化，还可以增加由神经干细胞分化而来的神经元突起数量及长度。神经干细胞和血管内皮祖细胞共移植，可促进移入大鼠缺血半暗区神经干细胞向神经元分化，并促进其突触形成和神经网络的重建。但是关于突触形成及调控的研究尚未完善，也仅发现突触形成主要涉及的3 个方面：一是突触结构的形成；二是突触无活性到有活性的转

14、换；三是非必需突触的消除。所以，研究的第一步是要了解突出结构的形成并对其进行控制。1 突触的结构及突触传递的过程 经典的突触由突触前膜、突触间隙和突触后膜三部分组成。根据神经元相互接触的部位,通常将经典的突触分为三类。(1)轴突-树突式突触,由前一神经元的轴突与后一神经元的树突相接触而形成的突触; (2)轴突-胞体式突触,为前一神经元的轴突与后一神经元的胞体相接触而形成的突触; (3)轴突-轴突式突触,为前一神经元的轴突与另一神经元的轴突相接触而形成的突触1。突触传递的过程是当前神经元的兴奋传到神经末梢时,突触前膜发生去极化,去极化达到一定的水平可使离子通道开放,从而引起突触小泡内神经递质的量

15、子式释放。神经递质释放入突触间隙后,经扩散抵达突触后膜,引起后膜上的电位变化,使突触后膜发生去极化或超极化,从而完成突触传递。2 促进突触形成的相关因素及其作用机制 2.1 神经胶质细胞(neuroglia) 胶质细胞在神经元突触形成的过程中是必不可少的,胶质细胞不仅能帮助神经元形成突触,而且还能帮助神经元维持已建立的突触。研究显示胶质细胞分泌一些蛋白、神经营养因子等可以促进神经元轴突的数目增多,并且在胶质细胞存在的条件下,神经元才能发育成熟,神经元之间才能形成有功能的突触连接。胶质细胞可以调节神经细胞的兴奋性,调节突触传导,促进突触功能完善,增强突触功能.国外学者在没有胶质细胞的环境中培养神

16、经元与胶质细胞共同培养的神经元相比,两类神经元形成的突触在大小、形态上均无区别,但共同培养的突触数目却是单独培养的7倍,若移去培养液中的胶质细胞,突触数量会在短时间内减少75%,突触功能也会降低。最近ULLIAN等也发现在高水平神经营养因子的培养液中即使缺乏胶质细胞和星型胶质细胞(astrocyte)的存在,大多数高度纯化培养的脊髓运动神经元也可以存活,并且能够生长粗大的轴突,但它们之间只有在有胶质细胞的条件下才能形成突触连接。这些研究证实了胶质细胞可以促进突触的形成和成熟。胶质细胞在突触发生发育过程中可能通过以下几种途径发生作用: (1)通过合成化学因子引导突触的发生。胶质细胞分泌的胆固醇通

17、过促进突触蛋白1(synapsin 1)及突触素(synatophysin)的释放来增加突触小泡的数量,并通过增加突触囊泡、激活突触释放部位等促进突触的形成,分泌的雌激素与轴突终末雌激素受体结合,刺激轴突终末分泌神经递质,促进突触发生并参与形成突触的代谢活动,从而调节突触的形成,分泌的凝血酶敏感蛋白、蛋白激酶C也参与突触的形成。(2)通过调节多种化学因子的合成促进突触生长。胶质细胞释放的谷氨酸(Glu)通过激活突触前神经元的AMPA受体,开放细胞膜上与他们耦联的离子通道,引发去极化内向电流,调节突触传递6。分泌的集聚蛋白能够诱导神经元产生兴奋性电位,刺激突触递质传递及前膜突触小泡的释放,从而加

18、强突触活动。(3)胶质细胞分泌的血小板反应蛋白( thrombospondin, TSP)也能促进突触生长,可能的作用机制是通过与一种或多种蛋白相结合, TSP可激活突触前膜和(或)突触后膜信号蛋白,从而诱导神经元突触形成。(4)胶质细胞源性神经营养因子(glial cell linederiredneurotrophic factor,GDNF)通过有丝分裂原蛋白激酶(又称胞外信号调节激酶EPKs)通路(Ras -MAPK -CERB)刺激神经元的存活和突触的生长。胶质细胞影响突触形成的主要作用机制目前尚未完全明了,有学者向神经元中加入曾经有胶质细胞生长的营养液(GCM)后,突触后电位的强度

19、、频率都有成倍增长。从而证实了神经胶质细胞对突触形成的作用的确存在,推测胶质细胞可能是通过多种可溶性因子发挥其作用。从上分析可得,胶质细胞促进突触形成可能是由其分泌的各种物质及其自身的作用通过多种信号途径共同作用的结果。2.2 神经营养因子家族 神经营养因子基因家族主要包括神经生长因子(nerve growth factor, NGF)、脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)、神经营养素-3(neurotrophin -3,NT-3)、神经营养素-4 /5(NT-4 /5)等,它们来源于同一基因家族,有多个同源氨基酸。NGF对交感神经

20、元和感觉神经元的生长和存活是必不可少的,若将NGF的抗血清注入新生动物,几乎可使所有的交感神经节受损;而将抗血清注入母鼠则可导致胎鼠感觉神经系统缺失。实验还表明,NGF能提高基底前脑和纹状体胆碱能神经元的cAMP水平,提高乙酰胆碱转移酶的活性,并对这些神经元的生长和存活起重要作用。NGF主要是通过对Ca2+通道的调节及与特异的酪氨酸蛋白激酶受体结合发挥作用。NGF保护神经、促进神经再生可能的机制包括抑制杀手蛋白基因表达,调节免疫功能,避免自身免疫反应,稳定细胞内钙离子含量,减轻钙超载损伤,对抗氧自由基损害,促进细胞代谢和神经递质的合成,与施旺细胞及其他因子之间的相互促进作用等。BDNF首先是由

21、猪脑提取液中分离获得的碱性蛋白。BDNF缺乏的小鼠,其周围感觉神经元数量减少,前庭神经节严重变性。BDNF与Trk B的亲和力较高,以二聚体的形式存在,受体激动后可促发胞质内酪氨酸蛋白激酶的磷酸化,从而在突触的修饰中发挥调控作用。VAYNMAN等发现阻滞Trk B -R后可完全消除运动诱导的Trk B、BDNFmRNA水平提高, BDNF还可以通过与NMDA -R, CAMKÒ有丝分裂原活性蛋白激酶(MAP -K)共同参与组成反馈通路,以提高它们在海马中mRNA的水平,促进神经突触的发育生长。提示BDNF在神经可塑性过程中可能在其中起到调控自身及其受体的作用,通过不同的转导信号,影响

22、到与基因转录有关的分子调控及突触功能。NT-3和NT-4 /5都是小分子蛋白,广泛地存在于中枢神经系统和外周组织中。NT -3对交感神经元、感觉神经元、大脑皮层的上运动神经元、脊髓前角运动神经元和大脑基底部的胆碱能神经元均具有维持存活的作用,剔除NT-3基因可引起皮肤触-压觉感受器明显缺失。NT-3主要与Trk C受体结合,促发酪氨酸蛋白激酶的磷酸化,发挥生物学效应,对突触的形成起调节作用。NT-4 /5对大多数神经元均具有维持分化、存活的作用,并能保护受损的脊髓前角运动神经元,增强乙酰胆碱转移酶活性,但作用较BDNF弱。NT-4 /5与Trk B的亲和力比较高,以二聚体的形式发挥生物学效应。

23、神经营养因子还可以与一种低亲和力的受体结合,发挥其支持神经元生长、发育和功能完整性的作用,该受体是一种75kD的膜蛋白。各种神经营养因子在突触形成中有不同的作用,但也有一些交叉和重叠。他们共同发挥作用而促进神经元突触的形成。2.3 神经黏附分子 神经黏附分子neurexin和neuroligin是分别位于突触前膜和突触后膜的跨膜蛋白。这两种蛋白可以相互结合,在突触的组装、分化以及突触发挥其传递信息的功能方面都起到调控作用。SEHEIFFELE等研究证明,用neuroligin转染人胚肾细胞293(HEK293),然后将脑桥神经元与HEK293细胞在体外共同培养,在脑桥神经元的轴突区发现有突触囊

24、泡的聚集,该聚集情况可以通过突触囊泡的标记synapinl予以标记。而当脑桥神经元与转染绿色荧光蛋白的HEK293细胞共同培养时没有出现synapinl聚集的现象,因此认为表达neuroligin的细胞诱导了形态上前突触的分化。SARA等12也曾报道在HEK293细胞中表达neuroli-gin后,与神经元共同培养时,可以诱导人工突触的形成。这种人工突触与神经元之间形成的突触是相似的。NAM等13最近报道, neurexin和neuroligin之间的相互作用也可以诱导后突触的形成。CHUBYKIN等14通过共同培养海马区神经元与表达neuroligin的神经元细胞,发现细胞表面的neurol

25、igin可诱导neurexill抗体标记的突触结构的形成。neurexin和neuroligin介导的突触形成过程是通过多种神经递质、信号通路综合作用来实现的。突触是通过释放神经递质来介导神经元之间的信号传递,神经黏附分子与相应的受体结合,信号反馈至电压门控Ca2+通道, Ca2+通道介导Ca2+的内流,从而引起神经递质的释放,作用于突触后膜上的特异性受体而发挥生理作用,也通过钙调蛋白激酶Ò和AMPA受体信号通路的相互作用促进突触的形成和成熟。PONCER等研究证明neurexin和neuroligin之间的相互作用引起后突触的分化,而神经递质的释放对于突触的成熟是必要的。DOHER

26、TY等报道神经细胞黏附分子L1也可以刺激神经细胞突起的生长,对神经细胞的发生、发育发挥重要作用,主要是通过cAMP和Ca2+通道等通路相互作用引发神经元轴突、突触的形成。2.4 突触素(synapsin) 突触素是与突触囊泡膜相联系的神经元特异性磷酸蛋白家族,结合在包含神经递质突触囊泡的胞浆侧,许多研究表明突触素在突触形成过程中起重要的作用。FERREIRA等17通过实验观察到突触素在突触结构发育中起广泛的作用,对突触成熟有直接或间接影响。Fer-reira还通过实验观察到在神经细胞长出突起后,在突触形成之前使用反义寡核苷酸对突触素表达进行阻断,可抑制海马神经元突触形成,在突触形成之后阻断突触

27、素表达,则会使神经元丢失大部分突触。说明突触素对突触形成起始和突触保持都是必需的。突触素调节神经元突触的发生、发育及促进突触成熟的机制尚不清楚,国外学者研究发现这种调节作用主要是通过PKA或者钙调蛋白激酶来介导,通过PKA磷酸化突触素的一个氨基酸残基而启动神经元突触的生长、延伸。突触素还通过调节细胞骨架蛋白的组装而影响神经元的分化,所以突触素在神经轴突延伸、突触连接形成和突触成熟中具有重要意义。2.5 神经生长相关蛋白(GAP -43) 神经生长相关蛋白(GAP -43)是一种胞膜磷酸蛋白质,与神经元生长、突触连接重建以及神经再生有密切的关系。有研究证明过度表达GAP -43的初级嗅神经元出现

28、嗅球神经末端扩大的现象,甚至在缺乏神经营养因子的条件下,GAP -43也能使神经元长出新的神经突起。过度表达GAP -43基因的PC12细胞株,其细胞突起伸展加快,过度表达GAP -43的转基因小鼠也导致神经出芽。所以神经生长相关蛋白对突触生长、发育及成熟都起到重要作用。GAP -43通过与组成网状结构的膜骨架蛋白结合而影响突触前膜的生长状态。GAP -43还可以与钙调素(CaM)相结合来调控突触的形成,当Ca2+低水平时, GAP -43与钙调素紧密结合;当Ca2+进入细胞后水平增高时便释放钙调素,从而影响其磷酸化或去磷酸化的水平,调控神经元突触形成。2.6 其他 国内研究者胡琳燕等利用丹参

29、诱导骨髓间充质干细胞分化为神经细胞,通过观察神经细胞的突触连接,利用电生理等方法测定其突触功能,证明了中药丹参也可以促进神经元的突触形成。还有B-1, 4半乳糖基转移酶等等也可以促进神经突触的生长,作用机制还不完全确切。3.目前已有大量研究发现，伴随突触形成的完善过程中出现的神经细胞表面分子及分泌蛋白显示出明确的作用。 3.1血小板反应蛋白 血小板反应蛋白是一种大的低聚物细胞外基质蛋白。已知的血小板反应蛋白成员有5 型，每型都是由单独的基因编码，其中血小板反应蛋白1 和2 已经被证明除与血小板凝集，炎症反应有关之外，也参与突触的形成过程。有关研究证实，血小板反应蛋白1 和血小板反应蛋白2 出现

30、在星形胶质细胞诱导突触形成的实验中，显示出促进突触形成的作用。体外培养发现，缺少血小板反应蛋白1和血小板反应蛋白2 的大鼠视网膜神经节细胞的突触形成障碍；而增加外源性纯化的血小板反应蛋白1，培养的视网膜神经节细胞的突触形成增强，这个结果取得了与增加星形胶质细胞或者使用星形胶质细胞条件培养基共培养同样的效果。另外，血小板反应蛋白1 也被证明具有促进神经细胞突触连接和轴突生长的作用。体内实验证明血小板反应蛋白对突触形成同样重要，血小板反应蛋白1和血小板反应蛋白2在出生后早期表达，此时有大量突触形成，而血小板反应蛋白1/2对突触形成均有促进作用，相应地，血小板反应蛋白1/2 不足的大鼠形成的兴奋性突

31、触数量就明显减少。此外，研究发现血小板反应蛋白1/2 在胚胎期和出生后的发育期表达，而在成年大鼠的大脑中则表达缺失，说明血小板反应蛋白1/2 对早期突触的形成是必要的，而对于成熟突触是非必要。最新的研究还发现在中枢神经系统的损伤中，血小板反应蛋白1/2 水平上调，损伤后突触功能恢复良好，而缺少血小板反应蛋白1/2 则影响突触功能的恢复8，因此血小板反应蛋白1/2 可以作为以后治疗中枢系统神经损伤的一个研究方向。研究还发现，血小板反应蛋白诱导的突触超微结构是正常的，但是在功能方面，只有突触前活性，因为用亲脂的FM 染色突触前囊泡并对囊泡的吸收和释放分析证实突触囊泡是循环的，而用电位箝检测突触后的

32、微型兴奋性突触后电流(miniature excitatory postsynaptic current ，mEPSC)没有变化，这种突触后活性的丧失(即突触后沉默)，可能与突触后膜缺少谷氨酸受体有关。体内外的研究，都证明了血小板反应蛋白1/2 影响突触的形成，因此在突触的形成发展中，血小板反应蛋白1/2 是一个重要的调节因素。3.2 突触分化诱导基因产物(synapse differentiationinduced geneI，SynDIG1) SynDIG1 是Elva Díaz 等通过对一种预测基因(tmem90b)的分析，发现的一种新型跨膜蛋白。该研究小组从大鼠的海马中分离出

33、细胞培养并研究突触形成过程，结果发现SynDIG1 出现在兴奋性突触的表面，然后在细胞的表面和细胞内的核内体区室之间循环，SynDIG1 是通过C 末端与AMPA 受体(a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolep-propionate receptor，AMPAR)亚单位形成共聚体发生相互作用。近年来，SynDIG1 已经被发现在突触成熟过程中对新生突触中AMPA 受体的聚集也有重要的影响。在神经细胞培养中发现，神经活动的调节影响SynDIG1 在突触中的含量，此外，SynDIG1 水平的改变也会引起突触中AMPA 受体的含量发生显著的改变，从而调节突触形成

34、的数目和功能，因此表明SynDIG1 在功能依赖性突触的发育和可塑性中具有重要的作用。SynDIG1 不仅是一种与AMPA 受体结合并发挥活性调节的蛋白，而且是调节兴奋性突触发育的一种重要的跨膜蛋白。SynDIG1 在兴奋性突触中的含量与AMPA 受体的含量相关，以适应活动水平的改变，而与突触中NMDA 受体(N-methyl-Dasparticacid receptor，NMDAR)的含量或者NMDA受体介导的mEPSCs 无关，说明SynDIG1 在突触形成过程中仅与AMPA 发生作用。在新生突触形成中，SynDIG1 调节AMPA 受体的含量，在一定情况下SynDIG1 可以促使突触中A

35、MPA 受体的形成。此外，SynDIG1 的增加或减少将会导致突触中的改变，而突触后密度蛋白95 和AMPA受体与突触数目有关，说明SynDIG1 能够调节所有的突触数目，因为SynDIG1 是建立在突触后密度蛋白95调节AMPA 受体以及在突触可塑性期间突触后密度蛋白95 与AMPA 受体结合的基础上。Kalashnikova 等用电生理和免疫细胞化学检验发现敲除大鼠海马神经元的SynDIG1 后，发育中的突触AMPA 受体含量有50%的减少。用shRNA 沉默SynDIG1 与对正常照组比较，发现突触密度减少25%。除此之外，突触中AMPA 受体的密度与对照神经元组比较，明显地减少50%。

36、然而，SynDIG1的丧失没有影响NMDA 受体介导的mEPSCs 的频率和幅度。总的来说，SynDIG1 在兴奋性突触中对于AMPA受体和突触后密度蛋白95 的存在是必要的，但是对于NMDA 受体的存在是不必要的。因此证实SynDIG1 是先前还没有被认识的兴奋性突触强力的调节因子。作用的强度归于SynDIG1 与突触后密度蛋白95 及AMPA 受体的相互作用，显示出SynDIG1在兴奋性突触中的重要性。3.3 突触细胞黏附分子 最近，Thomas Biederer 的研究小组在非神经元与神经元共培养过程中，发现有一个包含CAMs 的免疫球蛋白功能区家族表达，叫突触细胞黏附分子(synapt

37、ic cell adhesion molecule，SynCAM)，它可以作为突触前末梢有力的诱导因子。目前，SynCAM 家族中的4 个成员已经被鉴定，其中研究最多的是SynCAM1。SynCAM1 的表达遍及整个大脑，在神经元回路的发育及中枢神经系统的突触形成中发生作用。当SynCAM1 在神经细胞中表达的时候，SynCAM1 被证明可以诱导神经元突触前末梢的分化以及影响突触的传递。SynCAM1 的主要作用是增加发育期及成熟大脑中兴奋性突触的数目和功能。另外SynCAM1 能促进突触形成和限制突触可塑性，从而调节神经元回路的连接和重塑。Robbins 等发现在转基因小鼠模型中提高SynC

38、AM1 的表达将增加功能性兴奋性突触的数目，敲除SynCAM1 的小鼠则表现为极少的兴奋性突触形成。SynCAM 显著地在突触表达，说明SynCAM 蛋白在突触上具有重要的作用。SynCAM1在体内的过度表达会增加兴奋性突触数目但没有改变它们的超微结构。SynCAM1 不仅提高突触数目，而且在兴奋性突触结构化组建中具有重要的角色，甚至SynCAM1 在mEPSC上的作用效果比突触数目更显著。用电子显微镜测量、高尔基染色法和电生理学发现，SynCAM1 在突触的发育和成熟过程中都可以调节兴奋性突触数目。SynCAM1 不仅可以调节兴奋性突触的密度而且用时序控制SynCAM1 的表达证明，增加Sy

39、nCAM1 的表达有利于维持突触的增加。此外， 敲除SynCAM1 的小鼠实验揭示， 由于SynCAM1 的减少将会导致兴奋性突触产生短的PSD。OE 和KO 老鼠模型的实验结果也表明，SynCAM1 在兴奋性突触的形成中的重要角色，说明SynCAM1 能够调节突触的数目和功能。除此之外，SynCAM1 也可以通过限制长时程抑制改变突触的可塑性。因此，SynCAM 现在已经作为突触形成特定的角色，在促进突触的初始分化及维持突触形成后的数目和功能方面具有重要的作用。3.4 主要组织相容性复合物 型(The major histocompatibility complex，MHC-) MHC-基因

40、家族在啮齿类动物中的成员超过70 个，MHCI 蛋白由一条多态跨膜重链(HC)，一个非共价连接-2-小球蛋白亚基(2m)和一条产生来自蛋白体降解的氨基酸短肽组成的异质三联体。MHC-家族成员被大家所知的是在细胞免疫中的角色，但神经功能方面的作用还没有被广泛的重视。最近MHC-基因家族成员已经被发现在中枢神经元上低度表达。之前的研究发现，在出生后较晚时的大脑发育关键期，MHC-蛋白质与突触连接的消除有关。而Needleman 等24的研究小组最近发现了MHC-型蛋白质的另一项功能，MHC-还能在出生后早期的大脑发育期间建立起神经元的连接。MHC-I 出现在出生后早期突触形成高峰期间的皮层，表明M

41、HC-I 蛋白对早期建立突触连接是重要的。另外MHC-也在功能依赖性突触可塑性中具有重要的作用。Thams 等通过敲除小鼠2m 和TAP1 两个基因使MHC-I 蛋白基因缺失，其结果发现视神经突触连接和精细分化结构减少，因此证明MHC-I 在发育期间对功能依赖性视神经连接的精细分化是有必要。此外，小鼠成熟海马的MHC-I 信号通路损伤后，发现长时程增强效应增强，而长时程抑制效应缺失。Needleman 等的研究结果还发现在早期皮层突触连接建立期间，被消除的突触比成熟期功能依赖性精细分化消除的突触还多。与这个说法一致的是，新生的突触稳定性比成熟的更差。因此，MHC-I 在出生后早期的大脑发育期间

42、有助于建立起神经元的连接，而在出生后较晚时的大脑发育关键期，MHC-型蛋白质则介导突触连接的消除。最近的研究还表明MHC-I 在神经损伤后修复方面的作用。因此，MHC-对突触早期的建立及突触后期的消除过程中都具有重要的作用。3.5 肌细胞增强因子2 (The transcription factor myocyte enhancer factor 2，MEF2) MEF2 在整个中枢神经系统表达，Barbosa 等研究发现在小鼠的脑溶解产物中，MEF2A 和MEF2D 蛋白在胚胎阶段就被检测到，但是它们的表达增加是在出生后的第3 个星期，也就是突触的形成和重塑期间。肌细胞增强因子2 家族的成员

43、(MEF2A 到MEF2D)在神经元存活和分化以及突触形成和维持中都具有重要的作用。在神经元中，由于增加突触神经递质的释放，MEF2 可以被神经营养因子以及钙流所激活。而MEF2 的神经元活性依赖诱导基因表达程序激活，在体内外可以限制海马神经元和小脑颗粒神经元上兴奋性突触数目的形成。在分离的海马神经元培养中，用干扰RNA(RNAi)及短发夹RNAs(shRNA)作用MEF2A 和MEF2D，促使这些蛋白在转染海马神经元中永久的缺失，发现减少MEF2 的表达则可以增加突触的数目和增强突触的功能。测试shRNA 转染MEF2 后细胞突触的功能，结果用全细胞电位箝记录mEPSCs 发现，MEF2A

44、和MEF2D 的减少促使mEPSCs 频率的显著降低，而shRNA 编码的表达则没有受到影响。而MEF2A 和MEF2D 的mEPSCs幅度或波形也没有受到影响，表明shRNA 转染MEF2 后只是影响mEPSCs 频率33。MEF2 在个别神经元的神经回路中激活，将导致广泛的基因组诱导作用，说明MEF2 对突触发育、塑性都具有重要作用。3.6 脆性X 智力低下蛋白(fragile X mental retardionprotein，FMRP) FMRP 是一种选择性RNA 结合蛋白，FMRP 与RNA 的相互作用通过结合几个RNA位点，包括两个hnRNA-K 同源区域(KH 区域，KH1和K

45、H2)，和一个富含精氨酸/甘氨酸RNA 结合位点(RGG 盒)，FMRP 通过其功能域连接mRNA 和神经元多核糖体以及树突。表明FMRP 在调节树突蛋白合成和成熟突触功能塑性方面有重要作用。研究发现在FMRP 基因敲除的小鼠中，新皮质的长时程增强有较大程度减少，而长时程增强减少的效应则与新皮质的代谢性谷氨酸受体5 的调节活性有关。如果代谢性谷氨酸受体5 的表达增强，敲除了FMRP 的小鼠树突的长时程抑制的调节活性则可增强，因此推断FMRP 可改变树突的可塑性。用免疫电子显微镜观察定位于额皮质、海马CA3 区及嗅球的FMRP 表明，FMRP 表达于突触前末端及轴突内富含实体颗粒的的区域内，而轴

46、突内富含实体颗粒表达高峰主要是在神经形成后的2-4 周，此期正是突触形成及成熟时期，因此推断FMRP 可能在哺乳动物中枢神经系统的实体颗粒发育过程中起着重要的作用。FMRP 还被发现与突触的成熟、稳定、及衰老有关。Pfeiffer 等37运用电生理学和免疫组织化学技术，研究了在缺乏FMR1 基因的神经细胞内，体外表达FMRP 对突触的功能和成熟状态的影响，结果发现在缺乏FMR1 基因的神经细胞内表达突触FMRP 后可减少功能性突触连接的数量，但不能改变突触的成熟状态。此外，在敲除了FMR1 基因的小鼠体内，发现较长，较薄的树突棘的数量增加而短而粗的树突棘则减少。虽然最近的研究还表明FMRP 直

47、接与神经元突触消除有关，但是还是不清楚FMRP 怎样与已知的通路互相作用，调节突触的数目和功能。有研究表明FMRP 与MEF2 的相互作用可能调节突触消除。MEF2 作为依赖性突触消除下调组件，MEF2 可能直接或者非直接调节FMRP 的表达从而影响突触的消除。表明FMRP 在MEF2 介导突触消除中具有重要的角色。4.神经元突触的可塑性 景研究表明，神经元的突触可塑性包括功能可塑性和结构可塑性，与学习和记忆密切相关近年来，有研究显示在经过训练的动物海马区，记录到了学爿诱导的长时程增强(10ng term potentiation，LTP)，如果用激酶抑制剂阻断晚期LTP，就会使人鼠丧失训练形

48、成的记忆这些结果指出，LTP可能是形成记忆的分子基础因此，进一步研究哺乳动物脑内突触可塑性的分子机制，对揭示学习和记忆的神经基础有重要意义此外，在精神迟滞性疾病和神经退行性疾病患者脑内记录到异常的u甲，并发现神经元的树突棘数量减少，形态上产生畸变或萎缩，同时发现，产生突变的基因大多编码调节突触町塑性的信号通路蛋白，故突触可塑性研究也将促进精神和神经疾病的预防和治疗。在这重点说明一下有关结构可塑性的研究。树突棘是树突上兴奋性突触的突触后部分棘头通过一个细小的颈部与树突的轴连接，是含有谷氨酸受体的功能单位，亦是一个整合输入信息和进行生化加工过程的独立单元，人们相信它可能是记忆贮存的地方用定时的双光

49、子激光扫描显微镜(time1apse two photon laser-scanning microscopy)可连续观察树突棘变化。绿色荧光蛋白标记神经元的actin，观察到静息条件下树突棘是一个不断运动着的结构，大小和形状各异棘中富含actin纤维，在棘颈和棘头的中心actin纤维成束状排列，棘头的周围actin纤维成网络状排布棘中的actin处于永恒的变化中，仅有5的actin是稳定的，绝大部分的actin在2 min内全部转换棘的形状和大小决定了棘中AMPA受体的数量蘑菇状的大棘头中AMPA受体高度聚集在PSD上(150个AMPA受体棘)，是高效传递的突触小棘头及丝状伪足中仅有NMDA

50、受体，不含AMPA受体，可能是静息突触大部分树突棘在几个月期间是稳定的，约5的棘会出现发生或消失的变化在神经活性诱导下可见到棘形态的双向变化及棘的发生和消失这种结构可塑性的改变伴随着突触强度的可塑性变化。经典的电生理方法无法检测单个棘的突触后谷氨酸受体的敏感性，也不能直接测定AMPA受体数量封闭的硝基吲哚谷氨酸甲氧基衍生物(MNlglutamate)可被双光子激光激活，能从三维方向对单个树突棘释放谷氨酸，并通过荧光成像观察被激活的树突棘的变化在谷氨酸诱导LTP期间，刺激后20S即可见到棘变大，变化高峰在60S，有些棘的变化持续1h以上蘑菇状棘头(大棘)瞬时变大，但会较快恢复原状仅含NMDA受体

51、的小棘会持续增大且伴有AMPA受体迁入进一步研究发现，棘颈的形态(长度和直径)决定了活化的突触中内流Ca2+的浓度和维持的时间蘑菇状大棘的棘颈短粗，突触后内流Ca2+升高后容易扩散，使树突中的浓度下降很快，故造成棘头瞬时变大，突触传递瞬间增强小棘的棘颈细而长，LTP期间内流的C矿能较长时间保留在棘中且维持高浓度，使棘头能持续变大，突触传递增强的时间较长实验已经证明，LTP期间有AMPA受体迁入静息突触，使它转变成功能性突触用电生理方法检测AMPA受体和NMDA受体在传导上的差别或用免疫金标记AMPA受体和NMDA受体的亚单位进行细胞学观察，都证明了不含AMPA受体的静息突触的存在，且在活性诱导

52、下向功能性突触转变对表达绿色荧光蛋白标记的GIuRl海马CAl区培养神经元进行成像观察，可见到LTP期间胞质中存在的绿色荧光标记的GluRl迁移到棘中，呈点状聚集在PSD，本无绿色荧光蛋白标记的静息突触转变成为有绿色荧光蛋白标记的突触近来Marie等。报告将携带CaMKlV或CREB的eDNA的Sindbis病毒转染海马神经元，增加它们的表达，会产生新的静息突触静息条件下，电生理方法检测到NMDA受体的反应性显著增加而AMPA受体的反应性却无明显变化同时树突上NMDA受体的免疫化学染色明显增加，AMPA受体的免疫着色却无明显变化这些都表明增加活化的CaMKIV，会增加核内磷酸化的CREB，促进

53、基因转录和蛋白质合成，产生新的静息突触动物学习过程在记忆脑区中确会发生树突棘增大、新的丝状伪足和新棘的形成然而，仅以现有的研究结果来确定棘的形态变化和记忆的保持与巩固之间的相关性，理由还不充分，有些研究结果甚至相互矛盾，还需大量深入的研究培养神经元在诱导LTD期间，可见到树突棘内actin纤维减少、棘萎缩和棘密度降低，突触中绿色荧光蛋白标记的GluRl聚集点明显减少谷氨酸受体亚单位GIuR23受神经活性调节而内部化。现已公认，通过树突棘中富集的actin细胞骨架的动态变化可以调节棘的结构和形态Actin细胞骨架以一定的组织方式维系着棘的形状用绿色萤光蛋白标记actin对神经元进行观察，LTP期

54、间随着棘头的增大可见到actin细胞骨架增多、actin聚合增加以及棘头外围actin网络的增加LTD期间随着树突棘的萎缩和消失，棘中actin细胞骨架减少，actin纤维断裂并解聚。棘和突触的结构变化由棘中极其丰富的细胞骨架的变化来调节受神经活性调节，树突棘的形态变化伴随着AMPA受体和受体插座的支架蛋白运入突触，为突触的功能可塑性变化创造条件因此，突触的结构可塑性和功能可颦性是密不可分的相关过程已有报告指出，在突触可颦性期间调节AMPA受体转运的信号通路也调节树突棘的发生或萎缩如CaMK的活化既能促进AMPA受体迁入突触又能促进棘的生长，抑制SynGAP的活性造成AMPA受体插入突触并促进

55、棘的生长，增加棘的密度SynGAP的活化既促进AMPA受体的内吞又能抑制棘的生长促进其萎缩PKC的活化增加AMPA受体的传递效率同时促进棘的形成和棘头增大这些通路调节突触传递的机制较为清楚，但它们调节棘形态的机制还不清楚最近的研究发现，能调节突触中AMPA受体转运的Rapl又可调节树突棘的形态变化活化的Rapl以高亲性与它的效应蛋白AF6的RA结构域结合，并将AF6蛋白招募到质膜上，能诱导棘颁的增长失活的Rapl使AF6从质膜上解离，诱导棘的增大这种结构的变化与活化的RapI诱导突触中AMPA受体减少，而失活的Rapl诱导突触中AMPA受体增加是一致的虽然人们对突触可塑性进行了大量的研究，特别

56、是近来对分子机制的研究有了较大的进展但多数研究是在离体的培养细胞中进行的，还需要在活体中进一步证实不同类型的突触可塑性分子机制的研究有待于进一步深入，以利于对脑中不同记忆的分子机制的认识人的树突棘的功能及形态的异常对认知和记忆有重大影响已发现造成人的精神迟滞疾病和神经退行性疾病的突变基因中，有较多的突变基因是编码调节树突棘结构的信号通路的组分，如oLPIX的基因ARHGEH6、Pak激酶的基因PAK3、Cdc42鸟昔交换因子基因(faciogenitaldysplasia gene1，FDGll以及RhoGAP Oligophrenin的基因OPHNI这些患者的脑中树突棘发育不正常，棘细而长，形态及功能不受神经活性的调节而进一步对突触可塑性的分子机制的研究不