通过分析鲟鱼侧线器官中的差异基因表达，揭示电感受器带状突触的分子机制

《Journal of Anatomy》：Molecular insights into electroreceptor ribbon synapses from differential gene expression in sturgeon lateral line organs

本研究比较了电感受器与小鼠毛细胞的带状突触分子机制，发现vGlut3、otoferlin和Rab3a高度保守，但Cbln18仅在神经瘤表达，Tulp1仅在电感受器表达，提示两者在分子机制上相似但存在特化差异。

　　在鱼类和水生阶段的两栖类动物中，机械感受器神经簇（neuromasts）以特定的线条形式分布在皮肤上，头部和躯干部位都有分布。这些神经簇含有机械感受器毛细胞，它们能够感知周围水流的运动（“远处的触觉”），用于探测猎物、捕食者、障碍物和方向（Mogdans, 2020; Montgomery et al., 2014）。毛细胞的尖端“毛束”由排列整齐的微绒毛（stereocilia）组成，当受到机械刺激时，这些微绒毛会引发阳离子的流入，导致细胞去极化（Deng & Yan, 2025; Holt et al., 2024）。这些毛细胞与内耳的前庭毛细胞非常相似（Nicolson, 2017; Shi et al., 2023）。在非辐鳍鱼类的电感受性鱼类和两栖类动物中，一些神经簇线条被电感受器器官（ampullary organs）所包围，这些器官含有电感受器细胞（Baker et al., 2013; Bullock et al., 1983; Crampton, 2019; Elliott & Fritzsch, 2020）。这些电感受器细胞具有电压门控钙通道，这些通道位于细胞顶端膜上，用于响应低频阴极（外部负电）环境刺激，如水中其他动物产生的电场，主要用于探测猎物或捕食者（Bodznick & Montgomery, 2005; Bullock et al., 1983; Crampton, 2019）。在所有有颌类脊椎动物中，电感受器器官与机械感受器神经簇是同源的（即具有共同的祖先），这通过胚胎发育起源的相似性以及不同物种中基因表达的保守性得到了证实（Baker et al., 2013; Baker & Modrell, 2018; Baker, 2019）。

电感受器细胞和机械感受器毛细胞在所有脊椎动物中都形成了专门的“带状突触”（ribbon synapses）与传入神经末梢连接。这些突触结构由电子致密的前突触“带”连接着一个可快速释放的突触小泡池，使得细胞能够对渐变信号和持续的神经递质释放作出反应（Johnson et al., 2019; Moser et al., 2020; Nicolson, 2015）。在机械感受器毛细胞中，前突触带可能呈圆形、椭圆形、楔形或板状，同一毛细胞中可能含有不同大小的前突触带（Moser et al., 2020）。而电感受器中的突触带在不同物种中差异较大，从片状结构（如在 paddlefish、sturgeon、bichir 和 skate 中观察到）到不同直径的圆形结构，从 lamprey 中的 0.2 μm 到 newt 中的 3 μm（平均直径为 2 μm，在电感受器中，比机械感受器毛细胞中的 0.8 μm 要大得多；Fritzsch & Wahnschaffe, 1983）。

在机械感受器毛细胞和电感受器细胞中，去极化反应会打开电压门控钙通道（Ca_v1.3），这些通道聚集在带状突触上，导致突触小泡的外排和神经递质的释放（如机械感受器毛细胞中的谷氨酸）。Ca_v1.3 也被鉴定为鲨鱼和鳐鱼电感受器细胞顶端膜中的电压感应通道（Bellono et al., 2017; Bellono et al., 2018; Leitch & Julius, 2019）。在机械感受器毛细胞中，通过带状突触相关 Ca_v1.3 通道进入的钙离子会通过与 otoferlin 的结合来触发突触小泡的外排。Otoferlin 是一种跨膜的钙传感器，直接与 Ca_v1.3 和膜融合机制相互作用，仅在机械感受器毛细胞中起作用（Johnson et al., 2019; Leclère & Dulon, 2023; Moser et al., 2020）。机械感受器毛细胞的带状突触还具有独特的特点，它们的突触小泡通过 vGlut3 填充谷氨酸，而光感受器的带状突触则使用 vGlut1 和 vGlut2（Johnson et al., 2019; Moser et al., 2020）。然而，关于电感受器突触的分子特性仍知之甚少。

此前我们报道了在 late-larval 美国密西西比钝吻鱼（Polyodon spathula）的电感受器器官和神经簇中，Cacna1d（编码 Ca_v1.3 的孔形成亚基）、Otof（编码 otoferlin）和 Slc17a8（编码 vGlut3）的表达（Modrell, Lyne, et al., 2017）。这些基因通过在 late-larval 钝吻鱼中比较操作孔（operculum）和鳍（fin）组织的转录组进行差异 RNA-seq 筛选得到。此外，我们还发现一些可能对电感受器功能至关重要的基因，如两个电压门控钾通道基因（Kcna5 和 Kcnab3）和一个 β- parvalbumin 基因（编码钙缓冲蛋白）仅在电感受器器官中表达（Modrell, Lyne, et al., 2017）。我们还发现了许多发育基因的保守表达，表明电感受器与毛细胞密切相关，同时也有一些基因（编码转录因子和信号通路成分）仅在电感受器器官或神经簇中表达（Campbell et al., 2025; Mina?ík et al., 2024; Mina?ík et al., 2025; Modrell, Lyne, et al., 2017; Modrell, Tidswell, & Baker, 2017）。

本研究旨在进一步揭示电感受器带状突触的分子特性，并探索其与机械感受器毛细胞带状突触的保守性。为此，我们选取了从我们之前发表的 late-larval 钝吻鱼中约 500 个可能与侧线器官相关的基因数据集中（Modrell, Lyne, et al., 2017）的额外突触相关候选基因，在一个更具实验可操作性的软骨鱼类模型——Acipenser ruthenus（即 sterlet 鲟鱼）中研究它们在发育中的表达情况。我们之前在 sterlet 中确认了 Cacna1d 在神经簇和电感受器器官中的表达，正如在钝吻鱼中所预期的那样（Modrell, Lyne, et al., 2017），并且仅在电感受器器官中表达 Kcnab3（Mina?ík et al., 2024）。本研究中报道的新基因表达数据支持非辐鳍鱼类中机械感受器和电感受器带状突触在分子层面的广泛保守性，包括使用谷氨酸作为神经递质，但也识别出一些分子差异。

我们旨在通过研究 sterlet 中电感受器器官和神经簇中额外的突触相关基因的表达，进一步理解电感受器带状突触的可能分子特性。为此，我们选择了来自之前 late-larval 钝吻鱼侧线器官富集基因数据集的更多候选基因（Modrell, Lyne, et al., 2017），并在更具实验操作性的软骨鱼类模型——sterlet 鲟鱼中进行了详细研究。我们的研究结果表明，电感受器带状突触在非辐鳍鱼类中可能与机械感受器毛细胞带状突触具有相似的分子基础，包括使用谷氨酸作为神经递质，但也存在一些分子上的差异。

在 sterlet 中，我们观察到电感受器器官和神经簇中都表达了 Slc17a8（编码 vGlut3）和 Slc1a3（编码 EAAT1/GLAST），这些基因在机械感受器毛细胞和电感受器细胞中都具有重要功能。特别是，EAAT1 在中枢神经系统中被发现于星形胶质细胞膜上，用于清除突触后间隙中的谷氨酸，从而防止神经递质的过度积累（Niciu et al., 2012; Andersen et al., 2021）。在啮齿动物的内耳中，EAAT1 被发现表达于耳蜗和前庭的支持细胞的基底侧膜上，并且对于耳蜗毛细胞带状突触的谷氨酸摄取至关重要（Chen et al., 2010; Glowatzki et al., 2006）。此外，斑马鱼的 slc1a3 基因也在神经簇中表达（Gesemann et al., 2010）。

在 sterlet 中，我们发现 Slc17a8 和 Slc1a3 的表达模式与在钝吻鱼中的表达相似，进一步支持了电感受器带状突触可能是谷氨酸能的。这些结果表明，支持细胞可能通过 EAAT1（GLAST）清除谷氨酸，从而维持电感受器和机械感受器毛细胞突触的功能。

我们还研究了 Otof 基因的表达，该基因编码 otoferlin，这是机械感受器毛细胞带状突触中用于触发突触小泡外排的关键蛋白。在 sterlet 中，我们确认了 Otof 在神经簇和电感受器器官中的表达，正如在钝吻鱼中所预期的那样（Modrell, Lyne, et al., 2017）。然而，我们还发现，一个 Otof 的转录变体仅在电感受器器官中表达，而不在神经簇中表达，这表明 otoferlin 的不同变体可能在电感受器和机械感受器毛细胞的突触中具有不同的功能。这种现象在斑马鱼中已有先例，即单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）数据显示，otofa 和 otofb（即由鱼类全基因组复制产生的两个基因同源体）在不同类型的毛细胞中表现出差异表达，其中 otofa 主要特异性地表达于内耳毛细胞，而 otofb 则在内耳和神经簇毛细胞中表达（Shi et al., 2023）。

我们还研究了 Apba1 和 Rab3a 基因的表达，这两个基因与机械感受器毛细胞的带状突触相关。在 sterlet 中，我们成功观察到这些基因在电感受器器官和神经簇中的表达。Apba1 是一种神经细胞黏附蛋白，可能与机械感受器毛细胞的带状突触形成复合物，其功能可能涉及钙/钙调素依赖的丝氨酸蛋白激酶（CASK）和神经连接素（neurexin）的相互作用（LaConte et al., 2016; Wu et al., 2020）。Rab3a 是一种小 GTP 结合蛋白，对突触小泡的酸化至关重要，这是装载神经递质的必要步骤（David et al., 2025; Einhorn et al., 2012; Uthaiah & Hudspeth, 2010）。这些结果表明，Rab3a 在电感受器中的功能可能与机械感受器毛细胞类似。

此外，我们研究了 Nrxn3 基因的表达，该基因编码一种前突触细胞黏附分子。在 sterlet 中，我们观察到 Nrxn3 在神经簇和电感受器器官中都有表达，这与在 zebrafish 和小鼠中的研究结果一致（Elkon et al., 2015; Sadler et al., 2020; Scheffer et al., 2015; Lush et al., 2019）。Nrxn3 在 zebrafish 和小鼠中的研究显示，它是带状突触成熟所必需的（Jukic et al., 2024）。因此，我们的结果支持 Nrxn3 在电感受器带状突触成熟中的重要作用。

在 sterlet 中，我们还观察到 Cbln18 基因的表达，该基因编码一种分泌型跨突触支架糖蛋白。Cbln18 在神经簇中表达强烈，但在电感受器器官中没有表达。这表明 Cbln18 可能只在机械感受器毛细胞与传入神经末梢的突触中起作用，而不在电感受器突触中。这一发现与斑马鱼中的 scRNA-seq 数据一致，其中 cbln18 和 cbln20 在神经簇的支持细胞中表达，但不在成熟的毛细胞中（Lush et al., 2019; Sur et al., 2023）。

我们还研究了 Pcp4 基因的表达，该基因编码一种钙调素调节蛋白 PCP4（也称为 PEP-19），它以钙离子独立的方式与钙调素结合，并能抑制钙调素依赖的信号传导，从而防止细胞内钙离子过载和谷氨酸诱导的兴奋性毒性（Kanazawa et al., 2008; Slemmon et al., 1996; Slemmon et al., 2000; Wang et al., 2013）。在小鼠内耳毛细胞中，Pcp4 的表达已知，但其功能尚不清楚。在 sterlet 中，我们观察到 Pcp4 在神经簇和电感受器器官中都有表达，这表明 PCP4 可能对两种类型的突触都有保护作用。然而，表达的起始时间和相对强度存在差异，这可能暗示 PCP4 在电感受器和毛细胞中的作用有所不同。

在 sterlet 中，我们还观察到 Syt14 基因的表达，该基因编码一种钙离子独立的突触蛋白。Syt14 在小鼠和鸡的内耳毛细胞中表达，并且在斑马鱼的内耳毛细胞和神经簇中也表达（Sur et al., 2023）。尽管许多突触蛋白在钙依赖的膜融合事件中起重要作用，但 Syt14 是钙离子独立的，其具体功能尚不清楚（Fukuda, 2003; Wolfes & Dean, 2020）。然而，我们在 sterlet 的神经簇和电感受器器官中都观察到了 Syt14 的表达，这表明 Syt14 可能在两种类型的突触中都参与调控突触小泡的外排和内吞作用。虽然这些发现是推测性的，但它们为电感受器和机械感受器毛细胞的突触功能提供了新的视角。

最后，我们研究了 Tulp1 基因的表达，该基因编码一种与光感受器带状突触相关的蛋白。Tulp1 在小鼠的视网膜中表达，并且对于光感受器带状突触的正常发育和功能至关重要（Grossman et al., 2009; Wahl et al., 2016）。在斑马鱼中，scRNA-seq 数据显示 tulp1a 和 tulp1b 在光感受器中表达，但不在侧线或内耳毛细胞中（Sur et al., 2023）。然而，在 sterlet 中，我们观察到 Tulp1 在电感受器器官中表达，而在神经簇中没有表达，这表明 Tulp1 可能在电感受器突触中发挥类似的作用。此外，Tulp1 在视网膜细胞中还具有非突触相关的功能，如与 Kif3（一种参与纤毛膜蛋白运输的马达蛋白复合体亚基）的相互作用（Ebke et al., 2021）。考虑到大多数非辐鳍鱼类的电感受器也具有顶端纤毛，Tulp1 在电感受器中的非突触相关功能可能涉及纤毛膜中蛋白质的运输。

通过这些研究，我们发现了多个基因在电感受器和机械感受器毛细胞的带状突触中具有保守性，但也存在一些差异。这些差异可能反映了两种突触在结构和功能上的不同，同时也揭示了它们在进化过程中的共同起源。我们的研究结果不仅加深了对电感受器和机械感受器毛细胞带状突触分子机制的理解，也为进一步研究这些突触的功能提供了基础。