內(nèi)毛細(xì)胞帶狀突觸結(jié)構(gòu)及功能的研究進(jìn)展

陳麗平(綜述)，商秀麗(審校)

(中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，沈陽110001)

耳蝸能夠編碼不同頻率和強(qiáng)度的聲音信號，這一過程由內(nèi)毛細(xì)胞及外毛細(xì)胞參與。外毛細(xì)胞對聲音信號具有放大作用，使耳蝸對聲音頻率有高度的敏感性和選擇性［1］。內(nèi)毛細(xì)胞將不同頻率、強(qiáng)度、時(shí)間性質(zhì)的聲音信號傳遞給中樞神經(jīng)系統(tǒng)。內(nèi)毛細(xì)胞將聲波的振動(dòng)由化學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號，形成電勢差，刺激神經(jīng)遞質(zhì)釋放到相應(yīng)的螺旋神經(jīng)元，再由螺旋神經(jīng)元投射到中樞神經(jīng)系統(tǒng)。聽感覺突觸——帶狀突觸對信號的傳遞必需準(zhǔn)確，并且能維持很長一段時(shí)間。毛細(xì)胞上帶狀突觸的形態(tài)和數(shù)量對聽覺系統(tǒng)具有重要作用［2，3］。帶狀突觸在形態(tài)學(xué)和功能學(xué)上具有獨(dú)特性:其活動(dòng)區(qū)只位于幾個(gè)固定的區(qū)域，即快速囊泡釋放區(qū)，但其主要特征是被稱為帶狀突觸的結(jié)構(gòu)。帶狀突觸通過動(dòng)態(tài)作用精確、快速而又持續(xù)地釋放囊泡，該過程非常復(fù)雜［4］。但是其精確的功能和作用方式是如何完成的仍不清楚。

1 帶狀突觸的超微結(jié)構(gòu)

帶狀突觸指位于突觸前膜的特殊結(jié)構(gòu)，因其呈帶狀而被命名［5］。內(nèi)耳的內(nèi)毛細(xì)胞通過帶狀突觸將不同的聲音信號傳遞給聽覺傳入神經(jīng)。內(nèi)毛細(xì)胞形成帶狀突觸的突觸前膜，傳入神經(jīng)形成具有突觸后電子致密體的突觸后膜。帶狀突觸的囊泡分為三種:①胞質(zhì)內(nèi)游離囊泡;②與帶狀突觸相連的囊泡;③在帶狀突觸小體的底端為錨定突觸前膜的囊泡(圖1)。不同類型的細(xì)胞，帶狀突觸的結(jié)構(gòu)、數(shù)量及大小不同，即使在同一個(gè)毛細(xì)胞上，帶狀突觸的形狀也不相同。帶狀突觸主要存在于毛細(xì)胞、視網(wǎng)膜上［6］。在視網(wǎng)膜上，視桿細(xì)胞、視錐細(xì)胞和雙極細(xì)胞形成帶狀突觸;內(nèi)耳帶狀突觸位于內(nèi)毛細(xì)胞及前庭毛細(xì)胞下［5］。在不同動(dòng)物耳蝸軸上的不同位置以及不同發(fā)育階段，帶狀突觸的形態(tài)、大小及數(shù)量均有所不同，甚至在同一個(gè)毛細(xì)胞的不同活性區(qū)域上帶狀突觸的閾值、形態(tài)、大小及數(shù)量也不同［4］。隨著聽力水平的變化，帶狀突觸的形態(tài)和數(shù)量也發(fā)生變化。越來越多的研究表明，即使在一個(gè)哺乳動(dòng)物耳蝸的毛細(xì)胞內(nèi)，不同帶狀突觸上的鈣離子通道數(shù)量也不同［7］。因而，帶狀突觸后傳入纖維對聲音信號的敏感性相差很大。在不同動(dòng)物及不同部位毛細(xì)胞上，毛細(xì)胞的傳入神經(jīng)支配數(shù)量相差很大，如前庭傳入纖維形成分支連接毛細(xì)胞上大約有20個(gè)甚至上百個(gè)帶狀突觸信息的釋放與傳入。相反，哺乳類動(dòng)物耳蝸內(nèi)毛細(xì)胞上的一個(gè)帶狀突觸通常只與Ⅰ型傳入纖維的一個(gè)樹突相連［8］。毛細(xì)胞的帶狀突觸(也叫致密小體)具有形態(tài)特異性，可以為球形、平面或長方體形，大小不一，聚集20～400個(gè)囊泡。非哺乳類毛細(xì)胞上的帶狀突觸可能更大(直徑為200～400 nm)，但哺乳類的毛細(xì)胞帶狀突觸的長度≤200 nm，與視網(wǎng)膜上雙極細(xì)胞的帶狀突觸大小相近。哺乳類動(dòng)物耳蝸毛細(xì)胞帶狀突觸聚集100～200個(gè)囊泡，在每個(gè)帶狀突觸上伴隨100～200個(gè)電壓-門控鈣通道［7］。

圖1 內(nèi)毛細(xì)胞下帶狀突觸的結(jié)構(gòu)

2 帶狀突觸的分子組成

RIBEYE是帶狀突觸上所知的唯一結(jié)構(gòu)蛋白［9］，可能具有酶活性，并具有C-末端結(jié)合蛋白1(C-terminal binding protein 1，CtBP1)［10］轉(zhuǎn)錄共抑制及溶血磷脂酸乙酰輔酶轉(zhuǎn)移酶活性［11］。已經(jīng)克隆出RIBEYE的cDNA，RIBEYE具有一個(gè)特異的氨基末端富含脯氨酸的A區(qū)域，這是在其他細(xì)胞上所沒有的蛋白結(jié)構(gòu)，其與CtBP2具有基因同源性。

CtBP1與RIBEYE的B區(qū)域相關(guān)，是帶狀突觸的一個(gè)組成部分［5］。CtBP1與高爾基的分裂相關(guān)，但其在帶狀突觸上的功能至今尚不清楚。CtBP1和CtBP2/RIBEYE(B)-區(qū)域連接至位于帶狀突觸活性區(qū)域的胞質(zhì)蛋白Bassoon上。Bassoon與Piccolo一樣，都是位于活性區(qū)域的細(xì)胞基質(zhì)大分子物質(zhì)，很有可能與活性區(qū)域上帶狀突觸的錨定有關(guān)［12，13］。帶狀突觸減少可造成突觸病理源性的聽力損傷，即耳蝸的擴(kuò)音能力正常，而聽覺誘發(fā)電位異常。Rab3反應(yīng)蛋白對于啟動(dòng)囊泡釋放和Ca2+依賴性囊泡釋放具有重要的作用［14］。KIF3A是驅(qū)動(dòng)蛋白Ⅱ的構(gòu)成部分［15］。因?yàn)樵趲钔挥|上只找到了KIF3A，而未找到驅(qū)動(dòng)蛋白Ⅱ的其他構(gòu)成部分，因此對帶狀突觸的具體功能至今還不清楚。在視網(wǎng)膜的動(dòng)力蛋白還有MyosinVa和MyosinⅦa，MyosinⅤa基因突變時(shí)，將出現(xiàn)畸形帶狀突觸［4］。

在耳蝸毛細(xì)胞帶狀突觸上含有一個(gè)C2區(qū)域的跨膜蛋白Otoferlin。OTOF基因有28個(gè)編碼外顯子，在成年鼠的內(nèi)毛細(xì)胞和壺腹晴的Ⅰ、Ⅱ型毛細(xì)胞中都有表達(dá)(Ⅱ型毛細(xì)胞中表達(dá)微弱)，其編碼的蛋白質(zhì)是Otoferlin，由1997個(gè)氨基酸組成，相對分子質(zhì)量量為140.5 ×103［16］。它是帶狀突觸信號釋放所必需的結(jié)構(gòu)成分，而在一些耳聾患者中Otoferlin也發(fā)生了突變［17］。研究發(fā)現(xiàn)，Otoferlin位于與帶狀突觸相連的囊泡上，它的主要功能是將Ca2+與水溶性N-乙基馬來酰亞胺敏感因子黏附蛋白受體突觸融合蛋白1和突觸連接蛋白體連接在一起，使突觸囊泡膜與突觸前膜融合，通過胞吐作用釋放神經(jīng)遞質(zhì)［13］。目前，對于這些帶狀突觸所特有的復(fù)合物的具體功能還不是很清楚。盡管Otoferlin和其他很多鈣結(jié)合蛋白在耳蝸毛細(xì)胞中起重要作用，但具體功能還不確定［18，19］。而且，不同細(xì)胞類型的帶狀突觸引起突觸囊泡釋放鈣感受器的敏感性不同。鈣感受器具有高親和性和低協(xié)同性，這就允許了個(gè)別鈣通道的任意開放，從而興奮信號能使突觸后靶點(diǎn)除極，引起突觸囊泡釋放［20］。相反，耳蝸毛細(xì)胞具有低親和性和高協(xié)同性，適合于高同步性釋放的特征［21］。

3 帶狀突觸的可塑性

即使在一種細(xì)胞類型上，帶狀突觸的結(jié)構(gòu)、功能也可能不同。帶狀突觸具有動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)改變可由自身改變或外界環(huán)境改變所引起。在光照下，某種結(jié)構(gòu)從小鼠視桿細(xì)胞帶狀突觸上解離出來，無光照時(shí)，該物質(zhì)又回到帶狀突觸上。帶狀突觸結(jié)構(gòu)的改變反映了其功能的變化，且與突觸的活性相關(guān)。當(dāng)光感受突觸釋放大量神經(jīng)遞質(zhì)時(shí)(在黑暗中)，帶狀突觸延長;在光照時(shí)帶狀突觸縮短，胞吐功能降低［22］。毛細(xì)胞帶狀突觸的形狀與其功能性質(zhì)也密切相關(guān)。在耳蝸高頻和低頻區(qū)域上帶狀突觸的結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致胞吐作用對Ca2+的依賴性不同［12］，而在高頻聽力的帶狀突觸表面積更大。這些反映了帶狀突觸的數(shù)量與帶狀突觸的功能具有相關(guān)性。

4 帶狀突觸的胞吐作用

現(xiàn)在關(guān)于帶狀突觸功能的認(rèn)識主要基于兩類實(shí)驗(yàn):毛細(xì)胞突觸前膜電容的電壓-驅(qū)動(dòng)的改變和對傳入神經(jīng)興奮性突觸后電位的記錄。它們的主要差別在于電容是記錄整個(gè)細(xì)胞上所有帶狀突觸的變化，而興奮性突觸后電位顯示的是單個(gè)帶狀突觸的釋放。突觸前電容記錄與突觸后興奮性突觸后電位記錄都反映了瞬時(shí)釋放與鈣離子內(nèi)流的增多呈線性關(guān)系。因此，鈣通道打開后興奮性突觸后電位增高，給予強(qiáng)的鈣離子阻滯劑后興奮性突觸后電位降低。

通過高分辨率顯像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，雖然在帶狀突觸上囊泡釋放位置不是嚴(yán)格局限于帶狀上，但連在帶狀上的囊泡是胞吐“熱點(diǎn)”［23］。通過膜片鉗技術(shù)可以詳細(xì)地記錄到突觸遞質(zhì)的釋放始于電壓門控鈣通道的開啟［24］。在哺乳類動(dòng)物內(nèi)耳毛細(xì)胞上的100～200個(gè)鈣通道中，僅需一小部分(數(shù)十個(gè))鈣通道的開放就可引起突觸囊泡釋放。因此，在活動(dòng)區(qū)域鈣通道的總數(shù)量對囊泡的釋放具有重要意義。

5 帶狀突觸的特性

同光感受器細(xì)胞一樣，內(nèi)毛細(xì)胞傳入神經(jīng)突觸缺少突觸素、突觸體素以及突觸結(jié)合蛋白1和2［25］。突觸素在突觸的囊泡運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮作用，突觸體素幾乎存在于所有的神經(jīng)終末，而突觸結(jié)合蛋白在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞的囊泡融合中起鈣傳感器的作用［26］。

研究發(fā)現(xiàn)，帶狀突觸對突觸囊泡的持續(xù)融合起重要作用，帶狀突觸的每個(gè)活動(dòng)域都擁有一個(gè)準(zhǔn)備囊泡釋放池，以維持囊泡的持續(xù)釋放［5］。依據(jù)細(xì)胞類型的不同，帶狀突觸準(zhǔn)備囊泡釋放池?cái)?shù)也不同。電鏡觀察到，突觸囊泡的釋放至少有兩個(gè)動(dòng)力部分組成:①快速釋放，在幾毫秒內(nèi)就能釋放。②慢釋放，在強(qiáng)刺激時(shí)能維持?jǐn)?shù)百毫秒的釋放。刺激強(qiáng)度越低，釋放時(shí)間越長。每個(gè)準(zhǔn)備釋放池有數(shù)十個(gè)囊泡，可在幾微秒內(nèi)釋放。這意味著每個(gè)活動(dòng)域都可能同時(shí)釋放大量囊泡，從而獲得快速的遞質(zhì)釋放。

6 帶狀突觸的胞吞作用

胞吞作用與胞吐作用的平衡對避免突觸囊泡耗竭具有重要意義［27］。突觸末端細(xì)胞膜的再攝取非常困難，因?yàn)榇诉^程需要大的胞膜翻轉(zhuǎn)［28］。通過電生理分析顯示在視網(wǎng)膜和內(nèi)毛帶狀突觸上至少有兩種動(dòng)力模式參與胞吞過程［27］:快速攝取機(jī)制(每次只持續(xù)1～2 s)和緩慢模式(10～30 s)。快速過程受突觸前Ca2+的調(diào)節(jié)和細(xì)胞內(nèi)Cl－選擇性抑制的調(diào)節(jié)，緩慢胞吞作用具有Ca2+依賴性。電子顯微鏡跟蹤分析顯示帶狀突觸前膜管狀內(nèi)陷入胞內(nèi)［29］。

7 問題與展望

關(guān)于帶狀突觸的報(bào)道雖然很多，但其中仍有很多問題不明確，如囊泡是如何連接至帶狀突觸上的?它們間又是如何調(diào)節(jié)的?作為囊泡的傳送帶，啟動(dòng)裝置帶狀突觸是如何影響這些功能的?不同成分對帶狀突觸精確、快速釋放的作用?要回答這些問題，需要遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生理學(xué)及成像技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的共同參與。應(yīng)用新的技術(shù)(如在活細(xì)胞的高分辨率的光學(xué)成像、捕獲囊泡的超微方法及電生理實(shí)驗(yàn)中改變帶狀突觸功能等方法)有助于理解和觀察突觸的特性。

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