Synapsin III偶联突触前囊泡释放回收的双重调控作用及其机制研究

Synaptic transmission, which is the fundamental building block of the neural network, maintains the basic function of the nervous system. Synaptic vesicles serve as carriers of neurotransmitter at the presynaptic terminals, and the efficient coupling between vesicle exocytosis and endocytosis is critical in maintaining synaptic transmission. Synapsins, a family of neuron-specific phosphoproteins, localize abundantly at nerve terminals, in which they interact with synaptic vesicles. Synapsin I and II have been shown to regulate vesicle exocytosis but not endocytosis at nerve terminals. The function of Synapsin III is poorly understood and the very few studies so far are controversial. In synapsin III knock down mice the applicant found that the presynaptic calcium current was inhibited，exocytosis was reduced and endocytosis was also slowed down，suggesting a dual role in regulating exo-endoytosis of Synapsin III. This project will use high temporal resolution patch clamp technique combining fluorescent imaging at the calyces and cultured hippocampal neurons to study how Synapsin III regulates presynaptic exo-endocytosis at presynaptic terminals and its underlying mechanism. This study will provide new mechanisms of the dual role of Synapsin III in mediating the coupling between exocytosis and endocytosis at conventional synapses, and new insights into related neurological disorders.

突触传递作为神经网络功能的基本单元，是神经系统正常运作的基础。突触囊泡作为神经递质的载体，其有序的循环机制，是维持有效突触传递的保障。Synapsin蛋白广泛存在于神经末梢，其中Synapsin I和II参与调控囊泡释放，但不影响囊泡回收，而对Synapsin III的功能并不清楚，仅有的研究也有争议。申请人利用synapsin III基因敲低小鼠，发现其抑制突触前钙电流以及神经囊泡释放，降低囊泡回收速率，显示Synapsin III可能具有调控囊泡释放和回收的双重作用。本课题利用synapsin III基因敲低/敲除小鼠，通过高精度膜片钳和荧光标记技术，在脑干花萼状突触和海马培养神经元上，研究Synapsin III偶联突触前囊泡胞吐/胞吞的精细动力学调控及其内在分子细胞机制。本课题的研究为揭示Synapsin III在囊泡循环中的双重调控机制提供全新认识，为相关神经疾病提供机制参考。

突触蛋白（synapsin）是神经特异性的磷酸化蛋白，包括synapsin Ⅰ, Ⅱ 和Ⅲ 三大类，广泛分布于海马、皮层和脑干等区域。许多研究表明，synapsin 能够直接调控突触前神经递质的释放进而影响突触传递的强度。在Syn Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ 基因三敲除小鼠中，突触前囊泡释放减缓，并且伴随着自发释放频率的显著降低。而在Syn Ⅰ/Ⅱ 基因双敲除小鼠中，囊泡的释放没有显著变化。这些结果暗示synapsin III具有不同于synapsin Ⅰ/Ⅱ 的功能，可能是调控突触传递和囊泡循环的关键蛋白，然而其具体作用和调控机制仍然有待探究。.本课题利用SynⅢ 基因敲低和敲除小鼠，结合电生理记录以及电镜成像技术，探究synapsin Ⅲ 蛋白对突触前囊泡循环和短时程可塑性调控的突触前机制。我们的研究结果发现，1) 敲低或敲除SynⅢ 显著抑制钙电流、囊泡的释放和回收；2) 敲低SynⅢ 减小RRP 大小，但是不影响囊泡的释放概率和RRP 的恢复动力学。电镜实验发现，敲除SynⅢ 显著减少活性区的囊泡数量，其可能是RRP 减小的原因；3) 敲低SynⅢ 显著抑制囊泡自发释放的频率，但是对微小突触后电流的幅度没有影响；4) 敲低SynⅢ 能够降低串刺激间可立即释放的囊泡数量和释放概率从而增强STD 的程度，但是对突触后强直增强（PTP）没有影响。综上所述，本课题的研究结果表明，synapsin Ⅲ 蛋白能够维持钙电流大小和自发释放的频率，增加囊泡回收的效率。在STD过程中，synapsin Ⅲ 能够维持可立即释放的囊泡数量和释放概率从而确保突触传递的强度。.本课题的研究结果揭示了synapsin Ⅲ 与synapsin Ⅰ/Ⅱ 不同的调控作用，并且发现synapsin Ⅲ 能够直接参与囊泡释放和回收过程。这些结果拓展了我们对于synapsin 蛋白家族在突触传递和可塑性方面的认识，并为相关的神经退行性疾病的致病机制提供借鉴和参考。