深圳先進院揭示自閉癥相關(guān)SHANK3蛋白無序區(qū)介導(dǎo)相分離與突觸可塑性的機制
SHANK3是公認的自閉癥譜系障礙中最顯著的風(fēng)險基因之一,早期研究表明它對突觸后致密區(qū)(PSD)的結(jié)構(gòu)和功能至關(guān)重要,并且參與長時程可塑性增強(LTP)——即學(xué)習(xí)和記憶的基礎(chǔ)。然而,SHANK3 究竟如何精確調(diào)控 LTP、如何響應(yīng)神經(jīng)元活動并以如此高的精度重塑 PSD,其分子機制仍未清楚解開。
4月20日,中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院腦認知與腦疾病研究所/深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院張淑雯團隊聯(lián)合醫(yī)工所黃良宇團隊以“Dynamic recruitment of CaMKII into SHANK3 phase-separated condensates tunes postsynaptic density remodeling during long-term potentiation”為題在學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上發(fā)表研究論文。該研究突破性的通過引入液-液相分離這一生物物理概念,為上述問題提供了新的答案。研究團隊發(fā)現(xiàn),在突觸激活后,LTP 中的關(guān)鍵激酶 CaMKII 會被迅速招募到位于樹突棘的 SHANK3 相分離凝聚體中,進一步作用于其下游靶點AMPAR 受體,從而介導(dǎo) PSD 的結(jié)構(gòu)和功能重塑,最終實現(xiàn)突觸傳遞的增強。這一發(fā)現(xiàn)巧妙地將分子遺傳學(xué)、生物物理學(xué)和細胞神經(jīng)科學(xué)聯(lián)系起來,揭示了一個與自閉癥相關(guān)的基因如何在機制上驅(qū)動活動依賴性的神經(jīng)可塑性。
SHANK3通過其內(nèi)在無序區(qū)域介導(dǎo)了液相分離。全長的SHANK3能形成動態(tài)的凝聚體,但缺失IDR3(尤其是IDR3-3亞區(qū)區(qū)域)會嚴(yán)重削弱這一能力,而缺失IDR1、IDR2、IDR3-1或IDR3-2則無顯著影響。簡化版的SHANK3雖然能夠相分離,但凝聚體性質(zhì)不同于全長蛋白。
在Shank3b敲除神經(jīng)元中,全長SHANK3強定位至樹突棘并維持靜息態(tài)中正常PSD體積和AMPAR表達。缺失IDR3或其亞區(qū)IDR3-3會削弱SHANK3在樹突棘中的富集、讓PSD體積縮小并降低GluR1水平。有趣的是,ΔIDR3-1雖能高定位至樹突棘,卻無法恢復(fù)PSD大小,提示存在相分離以外的額外機制。
CaMKII在鈣內(nèi)流或光刺激下被快速招募至SHANK3凝聚體中,進一步加速凝聚體融合與PSD重塑。研究人員使用了活細胞成像技術(shù)、相分離生物物理測定,對這一動態(tài)招募過程進行了詳細描繪,驗證了招募過程需要CaMKII自身磷酸化以及SHANK3的IDR3區(qū)域,尤其是IDR3-1亞區(qū)內(nèi)的RRK基序。這一發(fā)現(xiàn)強調(diào)了CaMKII與SHANK3凝聚體相互作用在突觸可塑性中的重要作用。
此次研究還揭示了與人類自閉癥相關(guān)的SHANK3突變(InsG3680),這種突變導(dǎo)致SHANK3的部分IDR3以及SAM結(jié)構(gòu)域的缺失,抑制了SHANK3的液相分離功能,造成了PSD重塑和AMPAR招募的缺陷。此結(jié)果為自閉癥等神經(jīng)發(fā)育障礙的分子機制提供了新的線索,并為未來的治療策略開辟了新的方向。
SHANK3通過CaMKII調(diào)控其凝聚體動力學(xué),是LTP過程中PSD重塑的核心機制之一。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了突觸可塑性的全新分子機制,也為自閉癥及其他神經(jīng)發(fā)育障礙的潛在治療靶點提供了新方向。SHANK3突變引起的自閉癥和智力障礙,可能通過改變SHANK3的相分離特性,從而影響CaMKII的招募,調(diào)控突觸強度并介導(dǎo)PSD的動態(tài)重塑。這項研究為在病理條件下調(diào)節(jié)突觸功能提供了具體的分子靶點,也為開發(fā)針對神經(jīng)功能障礙的新型治療策略奠定了基礎(chǔ)。
本研究通訊作者為深圳先進院張淑雯項目研究員與黃良宇副研究員,劉茜助理研究員是本研究工作的第一作者。該項目受到中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委等資助。感謝深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院以及深圳市腦解析與腦模擬重大科技基礎(chǔ)研究設(shè)施對本研究的支持。


圖一: SHANK3蛋白無序區(qū)介導(dǎo)液相分離的發(fā)生

圖二:SHANK3蛋白無序區(qū)缺失減少了它在樹突棘上的富集,導(dǎo)致靜息態(tài)的PSD體積縮小

圖三:光調(diào)控CaMKII顯示SHANK3凝聚體快速招募激活后的CaMKII

圖四:SHANK3相分離介導(dǎo)突觸長時程可塑性的機制模型
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