Nature重要成果，解析神经元的超快内吞

　　

生物通报道：神经细胞通过小囊泡相互传递神经信号，犹他大学和德国生物学家合作，发现神经细胞循环利用这些囊泡的新机制。研究显示，与此前提出的两种回收机制相比，新机制要快得多。文章于十二月四日发表在Nature杂志上。

在小鼠脑细胞释放神经信号时，研究人员将其快速冷冻，并通过电镜对脑细胞成像。他们发现，小囊泡将神经递质释放到神经元之间的空隙（突触）后，只需十分之一秒就能被回收形成新的囊泡。

“没有这样的回收措施，我们就无法实现连续的思考和行动，”文章的资深作者，犹他大学教授Erik Jorgensen说。“这一过程也可以保护神经元，防止ALS和阿尔茨海默症等神经退行性疾病。因此，理解这一过程可以帮助人们开发相应的治疗方式。”

在一个脑细胞中，用于传递化学信号的囊泡保持在300到400个，每秒都有数百个囊泡在释放神经递质，文章第一作者Shigeki Watanabe介绍到。

细胞通过内吞作用回收囊泡，而这项研究中的新机制被命名为“超快内吞”。研究显示，一个囊泡的循环使用只需十分之一秒，回收过程发生在活性区域的边缘。活性区域是指神经细胞末端，囊泡将神经递质释放到突触的地方。

研究人员相信，超快内吞是囊泡回收最普遍的途径，不过该研究并没有否定此前所提出的另外两种机制：Kiss-and-run 内吞、和网格蛋白介导的内吞。

•Kiss-and-run 内吞：大约需要一秒，囊泡触及神经细胞内侧，释放神经递质，然后脱落以形成新的囊泡

•网格蛋白介导的内吞：据称需要二十秒，由网格蛋白自行组装为球形，进而形成新的囊泡。

今年早些时候，Jorgensen、Watanabe及其同事曾在eLife杂志上发表过一个相关研究，描述了线虫中的超快内吞。而这项新要就又向人们展示了，小鼠海马体脑细胞中的超快内吞。这说明哺乳动物与线虫采取了同样的回收方式。

为了成像神经细胞中的小囊泡活动，研究人员采取了巧妙的方法。

首先，他们对小鼠海马体的脑细胞进行基因工程改造，海马体常被用于研究记忆的形成。这些脑细胞中添加了藻类基因，使神经元产生一种“离子通道”，该通道可作为光激活的开关。随后他们将脑细胞放入超低温的高压小室。

对这些小鼠脑细胞闪烁蓝光，会使它们开始释放神经递质，此时研究人员再用液氮将其冷冻。为了在整个过程中捕捉神经元的快速活动，冷冻时间分别是蓝光闪烁后的15毫秒、30毫秒、100毫秒、1秒、3秒、10秒。该方法成功捕捉到了细胞内的所有运动，甚至包括膜的融合。随后，研究人员将神经元放入液态的环氧树脂使其变硬，以便进行切片供电镜观察。由此，电镜成像展示了回收囊泡的快速形成。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Ultrafast endocytosis at mouse hippocampal synapses

To sustain neurotransmission, synaptic vesicles and their associated proteins must be recycled locally at synapses. Synaptic vesicles are thought to be regenerated approximately 20 s after fusion by the assembly of clathrin scaffolds or in approximately 1 s by the reversal of fusion pores via ‘kiss-and-run’ endocytosis. Here we use optogenetics to stimulate cultured hippocampal neurons with a single stimulus, rapidly freeze them after fixed intervals and examine the ultrastructure using electron microscopy—‘flash-and-freeze’ electron microscopy. Docked vesicles fuse and collapse into the membrane within 30 ms of the stimulus. Compensatory endocytosis occurs within 50 to 100 ms at sites flanking the active zone. Invagination is blocked by inhibition of actin polymerization, and scission is blocked by inhibiting dynamin. Because intact synaptic vesicles are not recovered, this form of recycling is not compatible with kiss-and-run endocytosis; moreover, it is 200-fold faster than clathrin-mediated endocytosis. It is likely that ‘ultrafast endocytosis’ is specialized to restore the surface area of the membrane rapidly.