Nature子刊發現谷氨酸受體神經細胞內轉運的新調控機制

　　人的大腦是由約100億個神經元（即神經細胞）組成，這些神經元通過突觸這種特化細胞間連接結構進行信息交換。突觸前神經元通過突觸前膜釋放神經遞質，結合于突觸后膜的神經遞質受體，引起突觸后神經元的電生理變化，從而實現神經信號的跨細胞傳遞。在大腦內，興奮性的信號傳遞主要是由突觸前膜釋放的谷氨酸（神經遞質）結合于突觸后膜的谷氨酸受體來實現的。因此，谷氨酸受體在神經細胞內合成，轉運并恰當地定位到突觸后膜對于大腦正常行駛功能具有重要的意義。

　　南京大學模式動物研究所、南京大學生物醫藥國家重點實驗室和鼓樓醫院聯合中心、南京大學腦研究院的研究人員發表了題為“Signal peptide represses GluK1 surface and synaptic trafficking through binding to amino-terminal domain”的文章，揭示信號肽對于大腦神經細胞之間信號傳遞功能的調控作用。

　　這一研究成果公布在Nature Communications雜志上，文章的通訊作者為南京大學的石云教授和中國科學院昆明動物研究所的盛能印研究員，第一作者為段桂芳。

　　在這篇文章中，研究人員利用CA1椎體神經元來研究Kainate-型谷氨酸受體（KAR）的突觸功能，發現在CA1神經元表達GluK2受體能夠進入突觸后膜，極大地（>10倍）增強突觸后電流（EPSCs），而表達GluK1受體卻不能進入突觸后膜，不影響EPSCs(Sheng et al., 2015； Sheng et al., 2017)。

　　為了解析KAR受體的突觸定位機制，石云課題組依據GluK1和GluK2蛋白結構的相似性，構建和檢測了一系列的嵌合型突變受體。他們意外發現GluK1的前導信號肽發揮著關鍵性調節作用。當GluK1的信號肽替換為GluK2信號肽時，GluK1受體成功定位到突觸上，并且該GluK1(SPGluK2)受體能夠10倍地增強突觸后電流，其幅度與GluK2類似 (Fig.1 A)。

　　課題組人員推測，這個現象存在兩種可能的機理，第一、GluK2的“超級”信號肽賦予了GluK1額外的突觸轉運能力。第二、GluK1信號肽抑制了其本身具有的突觸后膜轉運能力。為了區分這兩種可能性，課題組人員設計了兩個實驗。

　　第一個實驗是將GluK1的信號肽換成GluA1的“弱”信號肽，因為過去的研究表明在CA1神經元表達GluA1時，并不能增強突觸活性，結果在這個“弱”信號肽帶領下，GluK1(SPGluA1)同樣可以增強突觸電流 (Fig. 1B, E)。第二個實驗更直接，將GluK1的信號肽和GluK1(SPGluK2)共同表達在同一個神經元中，結果GluK1(SPGluK2)的突觸增強效應被完全抑制 (Fig. 1C,D,F)，說明GluK1的信號肽對于GluK1的突觸定位具有反式抑制作用。進一步的解析發現GluK1的信號肽和氨基端結構域（ATD）共同發揮抑制作用，缺一不可。生物化學實驗進一步證明GluK1的信號肽可以和GluK1的ATD相互結合。

　　同時，課題組研究人員也發現，信號肽不僅抑制GluK1的突觸定位，也抑制了上膜轉運。所有這些研究結果表明，GluK1受體的信號肽能夠作為一個非常規配體，結合于其ATD結構域，行駛調節GluK1受體胞內轉運和突觸定位的功能。

　　傳統的觀點認為前導信號肽只是編碼新合成蛋白的胞內定位信號，它將新合成的肽鏈導入內質網，從而最終進入分泌途徑或者定位到細胞膜。一般來說，信號肽把肽鏈導入內質網就完成了其功能，在內質網膜上被信號肽酶切割下來，和后續的轉運沒有關系。

　　這篇論文發現了GluK1的信號肽除了指導GluK1進入內質網的經典功能之外，還有調節后續轉運的全新功能，這也是膜蛋白的信號肽研究方面的新發現。值得一提的是，這項研究是在石云教授參與的一系列研究工作的基礎上做出的(Granger et al., 2013； Sheng et al., 2018； Sheng et al., 2015； Sheng et al., 2017)。石云教授的這個成果也和他的團隊在2016年的發現(He et al., 2016)遙相呼應。在2016年的論文中，課題組研究人員發現AMPA型谷氨酸受體GluA1/A2的空間排列是由GluA1的信號肽決定的。因此，石云教授的研究表明谷氨酸受體的信號肽在受體的合成和轉運中的作用遠超其傳統功能，而谷氨酸受體的合成和轉運也遠比預想的要復雜。這些工作揭開了谷氨酸受體胞內復雜合成、裝配和轉運機制的冰山一角。