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Pcdhs 介导了哺乳动物神经元树突的self-avoidence

神经元细胞树突的形成是一种self-avoidence 的模式。也就是说,从一个细胞内生成的树突,不会碰到自身生成的另一个树突,从而能够尽可能高效且不浪费资源地将自己的树突覆盖自己的区域。但是,不同神经元之间的树突却是可以发生重叠的,也就是说神经元细胞能够分清“self”和“non-self”。

在这篇文章中,作者证实了protocadherins (Pcdhs)(钙粘素前体)介导了神经元的 self-avoidance 。

Pcdh 基因座上编码了大约60多个相关的cadherin-like 跨膜蛋白,并且这些蛋白中的一部分在不同的细胞中随机组合地表达(Fig. 1a)。在小鼠中敲除了所有的Pcdhg基因的22个exon后,视网膜的星爆无长突神经细胞(retinal starburst amacrine cells, SACs)和小脑浦肯野细胞(cerebellar Purkinje cells)都失去了self-avoidance 活性,但是用其中一个去代替这22个Pcdhs却能够恢复self-avoidance活性。进一步在一系列KO过的SAC中表达相同的一个isoform后,这些SACs的相互接触显著降低了。以上的结果说明,同一个细胞上的突出产生的排斥信号引发了self-avoidance。而且在这个模型中,不同的树突可以允许互相发生接触/相互作用,而发源于同一细胞的树突不怎么会互相发生作用。这模型与果蝇的Dscam1在self-avoidance中的作用类似,尽管他们并不同源。

从Fig.1中可以看到,Pcdhg 缺失后,单一细胞的自身突触间的交联现象显著提升。下边小图是上图框的放大。j图是野生型和突变型SAC细胞在每一级分支下的self-crosing 情况,突变型的显然比野生型的self-crossing严重。k和l是对他们的末端分支数和神经元领域面积的统计,野生型和突变型的差不多

Fig. 1a Pcdh基因座包含了Pcdha,b,g。Pcdha 和 g是由1个可变的exon加到三个固定的exon经过可变剪切合成的。
Fig1. Pcdhg 缺失后,突触的交联现象显著提升。下边小图是上图框的放大。j图是野生型和突变型SAC细胞在每一级分支下的self-crosing 情况,突变型的显然比野生型的self-crossing严重。k和l是对他们的末端分支数和神经元领域面积的统计,野生型和突变型的差不多。

在许多神经细胞中,Pcdhg的缺失会引起神经细胞的死亡,但是SAC却不死。也许这种self-crosing是凋亡过程的副产物,而非Pcdhg调控的结果。为了证明这一点,作者将Bax基因敲除。BaxPcdhg-dependent神经死亡的必须基因,敲除后就可以抑制一般神经元在缺失了Pcdhg后发生凋亡。不过,结果依然与之前相同。(Fig. S3)

Pcdhg 可能是在SAC 形成树状结构的过程中起作用,也有可能是仅用来维持这种self-avoidance状态。野生型的新生SAC是拥有丰富且相互交联的树突的。然而,到P12时,多余的神经突和神经元接触被消除,形成具有均匀间隔分支的样子。但是突变体的却不能在后期将神经元之间的接触消除(Fig. 2)。因此,Pcdhgs可能是选择性地消除单个神经元上的接触分支来引导重新排列的过程。

Fig.2 野生型的SAC在新生的时候,具有茂密的突出(p3,p5),在后来的p5,p8中只有少量的接触,到了p12,多余的分支与接触被消除。但是突变体中看不到接触的消除。i,j显示了突变体较野生型有不对称生长和突触的不均匀分布的现象。

接下来,作者评估了pcdhg依赖的自我回避中对异构体多样性的需求。使用RT-PCR来检测Pcdhg各种异构体在视网膜、一般的无长突细胞,和特殊的SACs中的表达。所有22个Pcdhg变异在每种细胞中都有表达,并且没有显著的多样性下降,说明这些细胞对任一异构体并没有什么偏好性。对缺失了C3-C5的Pcdhg进行研究,发现self-avoidance依旧(Fig.3 ae)。在完全敲除22个exon后,单独表达Pcdhgc3可挽救Pcdhg突变体的自我回避缺陷(Fig. 3 be)。为了验证是否只有某些亚型对自我回避是必须的,作者分析了第二组亚型Pcdhgtako,它缺少Pcdhg a1-a3区域的可变外显子。并且同时构建了只表达a1的细胞系。结果依旧如C3-C5缺失组: A1-A3缺失的依然存在Self-avoidance(Fig.3 ce),并且把所有Pcdhg用A1替换后,sel-avoidance依旧存在。

从上面的结论可知,Pcdhg的多样性对self-avoidance并不是不可或缺的,它也许只是为了SACs辨认出彼此,避开自己。使用只表达Pcdhga1 or Pcdhgc3的两个SACs细胞系也许能证实这一点。重叠在野生型和突变型的self-avoidance是等效的,但在表达单一亚型的细胞中重叠却显著减少,对于表达同一种pcdhg亚型的细胞来说,几乎细胞之间没有重叠(Fig. 4e),也许他们把彼此都认为是自己。此外,野生型和rko型的overlap长度在Real image中都显得比Flipped中的长,而只表达一种Pcdhg的却没有区别(Fig.4, g)。这说明前者的交联是紧密的,而后者的却只是比较松散的重叠罢了。

Fig. 4 降低Pcdhg多样性会破坏SAC之间的相互作用。 左边是实际照片,右边是实际照片经过旋转后拍的,从这个两个才能够分辨出哪些突触是真正的发生了相互作用。c全是野生型,d全是没了self-avoidance的突变型 ,d中一个是只表达A1的,一个是突变型。

因此可以得到这样的结论,当所有的SACs表达相同的Pcdhg亚型时,不同神经元产生的树突会相互回避,就像看到的是自己一样。

最后,为了证明Pcdhg不是仅仅在SACs中有这种功能,作者还在Purkinje细胞中也试了一把,结果与SACs一样。

讨论与展望

总的说,就是Pcdhg的随机排列形成了一个类似于身份识别码的东西,细胞通过它能够识别出自己和他人,从而产生self-avoidance和non-self interacion

101 thoughts on “Pcdhs 介导了哺乳动物神经元树突的self-avoidence

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