在中枢神经系统中，，，，突触的转达效能会随着神经运动的转变而改变，，，，这称之为“突触可塑性”，，，，被以为是大脑高级功效学习与影象的细胞基础。。。在大脑海马CA1兴奋性神经元中，，，，位于树突棘（Dendritic spines, 是神经元树突上的细小突起，，，，是兴奋性突触的主要突触后位点）突触后膜的AMPA型谷氨酸受体数目的增添和功效的增强介导了突触长时程增强（long-term synaptic potentiation，，，，LTP）效应，，，，这被称为是突触可塑性的经典形式。。。
神经元间突触的信号转达与树突棘的可塑性亲近相关。。。神经信号怎样诱导树突棘爆发功效可塑性是一个主要而有趣的神经细胞生物学问题。。。以往大宗的研究聚焦于卵白质分子在突触可塑性中的功效与作用机制，，，，而关于细胞中另一类主要的生物大分子―脂质分子鲜有涉猎。。。
中国科学院遗传与发育生物学研究所刘佳佳研究员团队借助脂质组学、活细胞成像、细胞生物学手艺、RNAi（RNA滋扰）手艺、全细胞膜片钳纪录、行为学范式等多个手艺手段发明位于兴奋性神经元树突胞膜上PI4P的代谢调控在运动依赖的AMPAR膜转运历程中以及在LTP和学习影象中施展主要作用，，，，并展现了运动诱导的细胞内钙离子浓度上升增进了PI4KIIIa向细胞膜外貌召募，，，，进而增进PI4P的合成历程。。。相关研究效果于2022年3月1日刊发在《Cell Reports》上，，，，问题为“Activity-dependent PI4P synthesis by PI4KIIIα regulates long-term synaptic potentiation”。。。
首先，，，，为了明确磷脂酰肌醇4-磷酸（Phosphatidylinositol 4-phosphate, PI4P）在神经元中的亚细胞漫衍，，，，作者借助免疫荧光手艺发明，，，，海马神经元细胞膜中PI4P信号强度显着高于Neuro-2a（小鼠脑神经瘤细胞）、NIH/3T3（小鼠成纤维细胞）和 HeLa（上皮细胞）。。。定量剖析发明，，，，PI4P在轴突胞膜中比树突更富厚（图1）。。。
图1 PI4P在小鼠海马神经元中的亚细胞漫衍
2.树突胞膜中的PI4P水平在LTP历程中爆发动态可逆转变
在中枢神经系统中，，，，位于树突棘的突触后位点吸收了大部分兴奋性输入。。。为了探索PI4P在突触转达和突触可塑性中的作用，，，，作者首先研究了PI4P在树突中的亚细胞漫衍和含量是否会随着神经运动爆发动态转变。。。在体外作育的海马神经元中，，，，研究者借助NMDA受体的共激动剂（co-agonist）甘氨酸化学诱导细胞的长时程增强（long-term synaptic potentiation，，，，LTP）效应。。。效果发明，，，，树突的PI4P信号强度受神经元运动的调理，，，，其水平在LTP时代履历动态可逆转变（图2）。。。
图2 树突胞膜中的PI4P水平在LTP历程中爆发动态可逆转变
基于上述效果，，，，作者假设PI4P加入了运动依赖的突触后因素的膜转运（如AMPA将受体转运至突触位点上），，，，为了验证该假说，，，，首先需要调控PI4P在胞膜或细胞内膜上的含量。。。以PI为底物，，，，共有四种激酶可以将其磷酸化为产品PI4P，，，，其中PI4KIIIa被以为加入了PI4P在胞膜中的合成和维持。。。借助化学抑制剂或AAV介导的shRNA表达载体（pAKD-CMV-bGlobin-eGFP-H1-PI4KIIIa shRNA），，，，研究者在海马神经元中抑制PI4KIIIa的活性或表达。。。效果显示，，，，抑制PI4KIIIa可导致树突胞膜中PI4P缺失。。。进一步地，，，，在化学诱导LTP的历程中急性给予PI4KIIIa抑制剂可以阻止胞膜上PI4P水平的瞬时性上升。。。这些效果提醒了，，，，在神经元树突胞膜上，，，，PI4KIIIa既与PI4P静息状态下的含量相关，，，，也加入了运动依赖的PI4P合成历程。。。（图3）。。。
图3 PI4KIIIa加入了运动依赖的PI4P合成历程
接下来，，，，研究职员验证了PI4P在运动依赖的AMPAR膜转运历程中的主要作用，，，，同时，，，，借助免疫染色发明，，，，树突上大大都AMPAR转运体并不富含 PI4P，，，，提醒了细胞膜上的PI4P是运动依赖的AMPAR囊泡胞外转运所必需的。。。
随后，，，，研究职员进一步发明CICR（钙诱导的钙释放）增进了PI4KIIIa在LTP时代从细胞质到细胞膜外貌召募，，，，进而介导了PI4P的合成，，，，增进AMPAR亚基GluA1在细胞膜上的运输（图4）。。。
上述效果配合提醒了爆发LTP的海马神经元中，，，，细胞内钙离子浓度上升增进了PI4KIIIa向细胞膜外貌召募，，，，进而增进PI4P的合成历程。。。
图4 PI4KIIIa定位树突质膜外貌，，，，并在LTP诱导下催化合成PI4P
4.默然PI4KIIIa表达可抑制LTP和恒久影象
为了研究滋扰PI4KIIa或PI4KIIIa是否会影响神经元的突触转达，，，，研究职员在成年小鼠海马CA1区注射pAKD-CMV-bGlobin-eGFP-H1-PI4KIIa shRNA或pAKD-CMV-bGlobin-eGFP-H1-PI4KIIIa shRNA病毒。。。全细胞膜片钳纪录的效果显示，，，，在海马神经元中默然PI4KIIa或PI4KIIIa默然导致了AMPAR介导的兴奋性突触后电流（EPSC）爆发了轻度下降（图5A-F）。。。
为了研究默然PI4KIIa或PI4KIIIa是否会影响突触可塑性，，，，研究职员首先在E14.5的小鼠胚胎中侧脑室注射PI4KIIa或PI4KIIIa的shRNA质粒，，，，然后在P14-21之间制备了小鼠的急性脑切片并举行电心理纪录。。。LTP剖析显示，，，，默然PI4KIIIa不但显著降低了LTP的幅度(magnitude)，，，，并且破损了CA1神经元中LTP的维持（图5M,N）。。。这些数据提醒了PI4KIIIa依赖的PI4P合成关于LTP时代的树突棘的结构和功效可塑性至关主要。。。
图5 默然PI4KIIa和PI4KIIIa的表达可抑制LTP
最后，，，，作者借助情境恐惧条件反射和Morris水迷宫行为学范式发明，，，，在海马CA1区默然PI4KIIIa表达可导致小鼠影象缺陷。。。提醒了，，，，海马CA1神经元中PI4KIIIa依赖的PI4P合成关于学习影象是必需的（图6）。。。
上述效果提醒了默然PI4KIIIa可损害了突触的长时程增强作用以及动物的影象能力。。。
图6 默然海马CA1兴奋性神经元中PI4KIIIa的表达导致小鼠影象缺陷
PI4P是生物膜中的低品貌磷脂分子，，，，但具有调控脂转移和囊泡运输等主要生物学功效。。。刘佳佳研究员团队借助脂质组学、快速活细胞成像、细胞生物学、RNAi（RNA滋扰）手艺、全细胞膜片钳纪录、行为学范式等多个手艺手段发明小鼠海马神经元细胞质膜富含PI4P，，，，在爆发LTP的海马神经元中，，，，细胞内钙离子浓度上升增进了PI4KIIIa定位在树突质膜内外貌，，，，使质膜PI4P水平迅速升高。。。进一步研究发明，，，，通过抑制PI4KIIIa活性急性降低质膜PI4P水平可完全抑制LTP诱导期的AMPAR质膜表达，，，，而在小鼠大脑海马CA1区默然PI4KIIIa表达导致突触的长时程增强作用以及动物的影象能力受损。。。该项研究不但发明膜脂PI4P的代谢受到神经活性调控，，，，并且展现了PI4P在AMPAR运输中的调控作用以及在LTP和学习影象中的心理意义。。。
刘佳佳实验室博士生郭真真和南京大学石云实验室博士后蒋朝华为该论文的配合第一作者。。。该研究获得了国家自然科学基金委、科技部和中国科学院战略性先导科技专项B的资助。。。
UG环球生物有幸提供实验中使用的AAV载体，，，，用现实验动助力中国脑科学的生长。。。
