甘氨酸调控中枢神经系统囊泡循环及突触可塑性的细胞机制研究

As a basic signal connection between neurons, synaptic transmission directly regulates the function and plasticity of the neural system. Glycine, a traditional inhibitive neurotransmitter, plays a significant role in the pathological process of pain and epilepsy. According to recent studies, glycine receptors are widely expressed in the presynaptic terminals of many brain regions. However, the presynaptic regulation of the synaptic connection remains unclear, as well as its mechanism. Since the presynaptic terminals are extremely small, researches merely speculated the glycine presynaptic mechanism of action via its effect on the postsynaptic function, thus lacking studies directly on the presynaptic regulation mechanism. The applicant found glycine may regulate presynaptic vesicle recycling and postsynaptic plasticity using the calyx of Held synapse located in the auditory pathway which has a huge presynaptic nerve terminal. This project will use high temporal resolution patch clamp technique at the calyx of Held synapse to study the presynaptic mechanism of glycine in regulation of synaptic transmission and synaptic plasticity. We will focus on 1) cellular and molecular mechanisms which regulate vesicle recycle kinetics; 2) the mechanisms of postsynaptic and presynaptic plasticity. Our study would provide with a new understanding of the role of glycine in physiological and pathological presynaptic processes, and offer novel ideas for the early diagnosis to neurological disorders.

突触传递作为神经元间最基本的信号联系，直接调控神经系统的功能和可塑性。甘氨酸作为一种传统的抑制性神经递质，在疼痛和癫痫等疾病的病理过程中起到重要作用。近期的研究发现，甘氨酸受体在许多脑区的突触前神经末梢都有表达，但是甘氨酸对突触联系的突触前调控及其机制并不清楚。由于神经末梢极其微小，仅有的一些研究也只是通过甘氨酸对突触后功能的影响来推测其突触前机制，缺乏直接的突触前调控机制的研究。申请人利用大鼠听觉通路花萼状突触的巨大突触前神经末梢，发现甘氨酸可以调控突触前神经囊泡循环及其突触后可塑性。本课题将以此突触为标本，利用高时间分辨率膜电容膜片钳技术，研究甘氨酸调控突触传递和突触后可塑性的突触前机制。包括：1）对神经囊泡循环动力学的调控和分子细胞机制；2）对突触后可塑性的调控及其突触前机制。本课题的研究将为甘氨酸在生理和病理过程中的突触前机制提供全新的认识，为相关神经疾病的早期诊断提供新的思路。

甘氨酸（glycine）是一种多功能的生物活性分子，除了作为基本氨基酸构成蛋白质外，其在突触传递和可塑性中同样发挥重要作用。传统观点认为，甘氨酸及其受体主要通过介导氯离子流动，抑制突触后神经元的兴奋性。近年来的研究发现，甘氨酸受体（glycine receptor, GlyR）在突触前膜也有分布，但对其调控突触传递的作用和机制并不清楚。.本课题以花萼状突触和原代培养海马神经元为标本，利用高精度的膜片钳技术和实时荧光标记手段，探究突触前甘氨酸受体对突触传递和可塑性的调控机制。我们的研究发现，1) 在花萼状突触中，甘氨酸轻微去极化突触前神经末梢，提高胞内整体钙水平，抑制囊泡回收的效率。利用膜片钳模拟甘氨酸的轻微去极化，可以对胞吞产生类似的抑制效果。2) 激活突触前甘氨酸受体抑制囊泡回收。通过改变胞内氯离子平衡电位，使突触前甘氨酸受体即使被激活后同样不存在氯离子流动，特异性阻断突触前甘氨酸受体可以消除甘氨酸对胞吞的抑制作用。3) PKC是甘氨酸抑制胞吞的关键分子。在花萼状突触和培养海马神经元上，阻断PKC反转甘氨酸对胞吞的抑制作用。.我们进一步探究了甘氨酸调控胞吞动力学的分子机制，发现钙信号对胞吞具有双重调控作用。一方面，突触前甘氨酸受体提高胞内整体钙浓度，激活PKC抑制胞吞速率；另一方面，更强的瞬时钙内流能够加快胞吞速率。我们的研究结果表明，1) 1 μM 胞内钙抑制弱刺激诱发的慢速胞吞，而对强刺激诱发产生的快速胞吞没有影响。2) 通过动态改变整体钙水平和瞬时钙内流的大小，可以恢复或阻断对胞吞的抑制效果。3) 阻断PKC能够反转胞内整体钙水平对胞吞速率的抑制效果。.综上，本课题的研究表明，激活突触前甘氨酸受体促使细胞内氯离子外流，使突触前膜轻微去极化，从而激活部分电压门控的钙离子通道。内流的钙离子提高胞内整体钙水平，通过激活PKC抑制突触前囊泡的回收速率。本课题的研究成果为阐明甘氨酸调控突触传递的机制提供新的理论依据，同时为治疗甘氨酸受体相关的神经疾病例如惊跳症提供参考。