Tpm4.2/肌动蛋白丝敲除通过调控神经元信号传导、突触可塑性和行为表型揭示神经系统疾病新机制

本研究针对细胞质Tpm4.2在神经元中的生理功能这一未解难题，通过构建Tpm4.2敲除小鼠模型，系统揭示了该蛋白在AMPA受体（GluA1）循环、钙信号传导和树突形态发生中的关键作用。研究发现Tpm4.2缺失导致神经元放电频率增加但强度减弱，同时伴随树突复杂性增高和焦虑样行为表型，为理解肌动蛋白细胞骨架（F-actin）功能障碍相关神经系统疾病提供了新视角。

　　

在神经科学领域，肌动蛋白细胞骨架的动态调控一直是理解神经元发育和功能的核心问题。作为肌动蛋白丝（F-actin）的关键调节因子，原肌球蛋白（Tropomyosin，Tpm）家族在肌肉收缩中的作用已被充分认识，但其非肌肉亚型尤其是Tpm4.2在神经元中的功能仍存在巨大知识空白。特别值得注意的是，神经元中存在着复杂的Tpm亚型时空表达模式，这些亚型如何特异性调控突触可塑性和神经环路功能，直接关系到对焦虑障碍等神经系统疾病发病机制的理解。

为解答这一科学问题，澳大利亚麦考瑞大学医学院（Macquarie Medical School, Macquarie University）联合新南威尔士大学的研究团队在《Molecular Neurobiology》发表了创新性研究成果。研究人员通过构建Tpm4.2敲除（Tpm4.2^-/-）小鼠模型，综合运用钙成像、电生理记录、形态计量学和行为学分析等技术，首次系统阐明了Tpm4.2在神经元信号传导、突触可塑性和行为调控中的多重功能。

研究采用的关键技术包括：原代海马神经元培养与Tpm4.2敲除模型构建、活细胞钙成像分析神经网络活动、全细胞膜片钳记录微小兴奋性突触后电流（mEPSCs）、场电位记录长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）、三维树突棘形态重建以及标准化行为学测试（包括高架十字迷宫和条件性恐惧实验等）。

表达谱分析揭示Tpm4.2的广泛分布

通过免疫印迹检测发现，Tpm4.2在小鼠多个脑区均匀表达，其中小脑呈现略高表达趋势。值得注意的是，Tpm4.2缺失并未引起其他Tpm亚型（如Tpm3.1/2或Tpm1.10/12）的代偿性表达改变，证实了该亚型的独特功能。

GluA1受体循环障碍

刺激实验显示，野生型神经元表面GluA1受体比例在NMDA（降低43.65%）、甘氨酸（降低63.21%）和荷包牡丹碱（降低49.84%）刺激后均显著下降。而Tpm4.2^-/-神经元表现出明显的内化障碍，三种刺激条件下的表面受体比例分别增加52.77%、66.45%和44.79%，提示Tpm4.2对AMPA受体的内化循环具有关键调控作用。

神经元活动异常

钙成像显示Tpm4.2^-/-神经元的同步放电频率增加138%，但单个神经元放电幅度降低60%。电生理分析进一步发现，敲除神经元的mEPSC频率（降低59.5%）和幅度（降低33.2%）均显著下降，同时膜电阻增高而电容降低，表明突触传递效能受损。

突触可塑性保持完整

尽管原代培养神经元表现出明显异常，但脑片实验中Tpm4.2^-/-小鼠的基底突触传递、LTP和LTD均未出现显著改变，提示在完整神经环路中可能存在代偿机制。

神经突生长异常

形态学分析揭示Tpm4.2缺失导致轴突长度增加37.91%，树突复杂性显著增高，表现为总长度增加56.68%和初级分支数量增加47.86%。Sholl分析显示这种复杂性改变主要发生在距胞体20-90μm区域。

树突棘形态改变

虽然棘密度无显著变化，但Tpm4.2^-/-神经元的树突棘呈现更长、更细的形态学特征，累积概率分布显示长度增加（p=0.007）而宽度减小（p<0.0001），且短粗型棘数量有减少趋势（降低36.64%）。

焦虑样行为表型

行为学测试发现，Tpm4.2^-/-小鼠在旷场实验中表现出进入中心区域次数减少和活动距离比率降低的焦虑样行为。高架十字迷宫测试显示性别特异性反应，雌性敲除小鼠开放臂停留时间减少，而雄性反而表现出焦虑减轻。

这项研究首次系统揭示了Tpm4.2通过调控F-actin功能影响神经元多方面的生理过程：在发育阶段通过调节树突复杂性影响神经环路形成；在成熟神经元中通过控制AMPA受体循环维持突触稳态。特别值得注意的是，Tpm4.2缺失导致的神经网络过度兴奋与焦虑样行为的高度相关性，为理解焦虑障碍的细胞骨架机制提供了新线索。研究还提出了一个有趣的双阶段模型——Tpm4.2在发育早期主要影响神经突生长，而在成熟阶段转向调控突触功能。这些发现不仅拓展了对肌动蛋白细胞骨架神经功能的认知，也为开发针对细胞骨架异常的精神神经系统疾病干预策略奠定了理论基础。