Cell Reports：刘佳佳团队揭示PI4P 合成在神经元突触可塑性中的重要作用
2022年3月，中科院遗传发育所、南京大学模式动物研究所的相关研究人员在《Cell Reports》（IF: 9.4）上发表了题为“Activity-dependent PI4P synthesis by PI4KIIIα regulates long-term synaptic potentiation”的研究论文，揭示了PI4KIIIα 依赖性 PI4P 合成在中枢神经系统神经元突触可塑性中的重要作用。
亮点概述：
海马神经元的树突状质膜（PM）富含肌醇-4-磷酸（PI4P）。 树突状PM PI4P 水平在长时程突触增强 (LTP) 期间经历动态变化。 神经元兴奋诱导磷脂酰肌醇 4-激酶IIIα（PI4KIIIα）的PM募集以合成 PI4P。 LTP 和记忆需要依赖 PI4KIIIa 的 PM PI4P 合成
研究背景：
磷酸肌醇（PIP 或 PPIns）是磷脂酰肌醇（PI 或 PtdIns）的磷酸化形式。尽管 PIP 是真核细胞质膜 (PM) 和内膜系统中的低丰度阴离子磷脂，但它们在许多细胞过程如信号转导、膜重塑和运输中至关重要。PI4P 在膜接触部位的非囊泡脂质转运中发挥重要作用并调节进出高尔基体的囊泡运输，在 PM 中，PI4P是磷脂酰肌醇 4,5-二磷酸 (PI(4,5)P2) 合成的前体，PI4P是否参与了 PM 转运仍有待确定。 两类磷脂酰肌醇 4-激酶 (PI4K) 通过磷酸化 PI 的肌醇环 D-4 位的 -OH 基团产生 PI4P。在哺乳动物细胞中，PI4KIIIα （也称为 PI4KA）和 PI4KIIIβ（也称为 PI4KB）主要负责高尔基体膜中 PI4P 的生成，并且是 PM 中 PI4P 稳态水平所必需的。然而，关于 PI4P 在高度极化的神经元细胞中的区室和亚细胞分布以及个体 PI4K 在静息和激活状态下对其分布和代谢的贡献知之甚少。 突触可塑性是响应神经活动变化而调节突触强度，为学习和记忆等高级大脑功能提供细胞基础。在哺乳动物兴奋性神经元中，位于树突棘突触后位点的 AMPA 型谷氨酸受体 (AMPAR) 数量的长时程增加导致长时程突触增强 (LTP)，这是突触可塑性的一种经典形式。已发现许多蛋白质和脂质（包括 PIPs）来调节 AMPAR 进出突触的运输。PI4P 是否参与可塑性过程中受体运输的时空控制仍有待探索。 脂质组学分析显示，小鼠海马神经元中的 PI4P 水平远高于 Neuro-2a（小鼠成神经细胞）、NIH/3T3（小鼠成纤维细胞）和 HeLa（人类上皮）细胞。为了确定 PI4P 在神经元中的亚细胞分布，研究人员进行了 PIP 免疫荧光染色，共聚焦显微镜检测到海马神经元细胞 PM 中 PI4P 的信号强度远高于 Neuro-2a，NIH/3T3 和 HeLa 细胞。 此外，定量分析表明，轴突的 PM 中 PI4P 比树突更丰富。 PI4P在小鼠海马神经元中的亚细胞分布 研究人员随后使用 NMDA 型谷氨酸受体 (NMDAR) 的共激动剂甘氨酸化学诱导小鼠或大鼠海马神经元中的 LTP (cLTP)，并监测 LTP 诱导过程中树突中 PI4P 和 PI(4,5)P2 水平的变化。结果表明，树突中的 PI4P 代谢受神经元活动的调节，其水平在突触增强期间经历动态可逆变化。此外，研究人员还探究了PI4KIIIα 在维持和调节树突状 PM 中 PI4P 水平方面发挥的作用，发现PI4KIIIα 主要负责海马神经元树突 PM 中 PI4P 的静息状态水平和兴奋依赖性合成。 LTP过程中小鼠海马神经元树突状细胞PI4P水平的动态变化 接下来，研究人员通过电生理分析研究了 PI4P 在突触传递和可塑性中的作用。结果发现，LTP 的表达和维持需要 PI4KIIIα 活性，PI4KIIIα 活性的急性抑制消除了 LTP 诱导期间 AMPA 型谷氨酸受体向 PM 的运输，依赖 PI4KIIIα 的 PI4P 合成对于经历 LTP 的树突棘的结构和功能可塑性至关重要。为了确定 PI4P 在高级脑功能中的生理意义，研究人员还测试了小鼠海马 CA1 神经元中 PI4K 基因沉默对长时程记忆的影响，结果表明，PI4KIIIα 依赖性 PI4P 合成是学习和记忆所必需的，PI4KIIIα 表达的沉默会导致学习和记忆缺陷。 抑制海马CA1细胞中PI4KIIIα的表达会损害学习和记忆 确定了 PI4KIIIα 和 PI4P 在 LTP 和记忆中的功能作用后，研究人员随后验证了树突状 PM PI4P 调节 AMPAR 的兴奋依赖性突触传递的假设，这对 LTP 表达至关重要。结果表明，树突轴中的大多数 AMPAR 运输载体并不富含 PI4P， PM PI4P 是兴奋诱导的 AMPAR 囊泡外吞运输所必需的。 为了了解神经元活动如何调节树突中的 PI4P 代谢，研究人员最后探究了 LTP 诱导后 PM PI4P 水平瞬时升高的机制，结果发现，PI4KIIIα在突触增强期间经历从细胞质到 PM 的易位，兴奋依赖的PI4P合成需要Ca2+ 诱导的 Ca2+ 释放（CICR)，CICR促进了 PI4KIIIα 向PM募集，而依赖PI4KIIIα的PM-PI4P合成促进AMPAR 亚基GluA1的PM运输。 PI4KIIIα定位于PM，并在LTP诱导下催化PI4P合成 综上所述，该研究结合脂质组学、细胞生物学、遗传、药理学和电生理学方法，揭示了 PI4P 在海马神经元中的区室和亚细胞分布，以及树突状 PI4P 在突触传递和可塑性中的动态转换和功能意义。该研究发现树突 PM 中的 PI4P 合成受神经元活动的调节，并在 LTP 和学习、记忆所必需的 AMPAR 运输中起重要作用。未来对PI4P和其他PIP的亚细胞产生和转换机制的研究，以及它们在突触功能和可塑性中的机制作用，可能会为衰老和神经退行性变的治疗提供更多的见解。
