GluN3A NMDA 受体蛋白 (NMDAR) 亚基在大脑发育中的作用

我们的大脑是一张错综复杂的连接网，在发育过程中不断形成和重塑。而现在，研究人员对出生后大脑发育过程中的一个关键机制有了新的认识【1】。最新研究揭示了 GluN3A NMDA 受体蛋白 (NMDAR) 亚基及其在调整NMDAR 突触运输方面的作用。

NMDAR亚基的发育转换

在早期发育过程中，大脑经历了以突触的不断产生和移除为标志的显著转变。这种最初阶段的变化后来通过感觉输入和神经元活动得到完善，从而导致稳定和加强特定的突触连接【2】。这一过程至关重要，因为它能从最初的冗余连接中形成精确的神经元回路--这是微调认知功能和行为的关键一步。
 

这一发育历程的核心是 NMDAR受体蛋白亚型的转变，特别是从含 GluN2B 的 NMDAR受体蛋白到含 GluN2A 的 NMDAR 的发育转换。这种转变影响了 NMDARs 受体蛋白的生物物理和药理特性影响受体的信号传导、定位和突触输入的时间整合【3】。此外，GluN3A 亚基在突触稳定和成熟过程中发挥着独特的作用，尤其是在出生后时期。改变 GluN3A表达的改变会对突触成熟、记忆巩固和学习产生重大影响。
 

然而，我们仍不完全了解 NMDAR 受体蛋白在突触和突触外区间的动态和扩散机制。具体来说，GluN3A 亚基是如何影响这些动态变化的，从而有利于在突触处形成不成熟的 NMDAR 受体蛋白表型，这一点还没有得到广泛的研究。
 

为了深入研究这一空白，这篇新文章的作者计划在活体海马神经元中追踪表面 GluN3A-NMDARs 受体蛋白并评估 GluN3A 亚基水平对突触 NMDAR 受体蛋白表面动态的影响。他们结合使用了单纳米粒子成像、免疫组织化学、电生理和生物化学方法，揭示了发育中神经元中 GluN3A-NMDARs 受体蛋白的动态及其对 NMDARs 突触含量的影响。

GluN3A 亚基：关键角色

研究小组发现，与 GluN2-NMDARs 受体蛋白相比，GluN3A-NMDARs 受体蛋白的扩散性更强，锚定更松散。研究表明，GluN3A-NMDARs 在海马神经元表面的扩散取决于它们的活动。此外，GluN3A 亚基控制着 GluN2A-NMDARs 受体蛋白的动态和定位，而不是 GluN2B-NMDARs受体蛋白。有趣的是，GluN3A-NMDARs 受体蛋白的物理固定会影响 GluN2A-NMDARs 受体蛋白的表面动力学。在出生后早期发育过程中，GluN3A 亚基引导 GluN2A/GluN2B 的突触内容。

突触 NMDAR 的动态变化

研究人员首先使用单纳米粒子（量子点 [QD]）跟踪方法观察了培养海马神经元中的 GluN3A-NMDARs 受体蛋白。他们发现，NMDAR 的突触数量取决于进入和离开突触后区域的受体之间的平衡。细胞结构内的各种相互作用会影响这种动态平衡，而这种平衡取决于受体亚基的组成。例如，GluN2A-NMDAR 受体蛋白的表面扩散低于 GluN2B-NMDAR受体蛋白，这可能是由于不同的锚定机制造成的（图 2）。为了使用 QD 跟踪 GluN2A 和 GluN2B，研究小组用GluN2A N端细胞外结构域的抗体（Alomone Labs #AGC-002）（表位对应于 GluN2A 亚基的 41-53 残基）或GluN2B亚基抗体（Alomone Labs #AGC-003）（表位对应于 GluN2B 亚基的残基 323-337）和海马神经元一起孵育。然后用 QD 655 驴抗鼠或兔 IgG 进行孵育。结果表明，GluN3A亚基通过改变突触后区室中GluN2A-NMDAR 受体蛋白的封闭性和停留时间来影响其定位。

图 2.GluN3A 亚基调控 GluN2A-NMDARs 的表面扩散和突触滞留，而非 GluN2B。(A）转染 Homer 1-DsRed （蓝色）和 GFP-GluN3A 或对照细胞（表达 Homer 1 但不表达 GFP-GluN3A）的 7-9 DIV 海马神经元的代表性树突区。红色显示原生 GluN2A-NMDARs 和 GluN2B-NMDARs 的 QD 轨迹总和。比例尺为 3 毫米。(B）突触 GluN2A-QDs 和 GluN2B-QDs 在对照神经元（n = 89，分别来自至少三个不同培养物的 15 个视野；n = 306，分别来自至少三个不同培养物的 9 个视野）和表达 GFP-GluN3A 的神经元（n = 119，分别来自至少三个不同培养物的 22 个视野；n = 277，分别来自至少三个不同培养物的 18 个视野）中的瞬时扩散系数累积分布（P < 0.0001; Mann-Whitney test）。(C）转染 Homer 1-DsRed（蓝色）和 sh1185 或 sh2532（如所示）的 7-9 DIV 神经元的代表性树突区。原生 GluN2A（上）和 GluN2B（下）的 QD 轨迹总和以红色显示。比例尺为 3 毫米。(D) 7-9 DIV 时对照神经元（n = 85，46 个区域，来自至少 6 个不同的培养物；n = 181，41 个区域，来自至少 6 个不同的培养物）突触 GluN2A-QDs 和 GluN2B 瞬时扩散系数的累积分布、和转染 sh1185 的神经元（n = 209，38 个区域，来自至少 6 个不同的培养物；n = 206，38 个区域，来自至少 6 个不同的培养物）或 sh2532 的神经元（n = 240，37 个区域，来自至少 6 个不同的培养物；n = 158，33 个区域，来自至少 6 个不同的培养物）（p < 0.0.006; Kruskal-Wallis followed by Dunn's multiple comparison test）。图和图例来自González-González IM, et al. Cell Rep. 2023;42(5):112477..

GluN3A亚基在突触成熟中的作用

研究小组的数据还表明，GluN3A亚基表达的发育减少与GluN2A-NMDARs受体蛋白逐渐并入突触后位点的过程一致。研究人员提出了一个模型，在这个模型中，GluN3A 亚基会 "破坏 "成熟突触中 GluN2A-NMDAR 受体蛋白的稳定，从而延迟它们的稳定。此外，GluN3A-NMDARs 受体蛋白还受到神经元活动的影响，这表明它们在推动突触成熟方面发挥了作用。

EphB2R 和 GluN2A-NMDAR 信号传导

此外，跨膜 EphB2 受体（EphB2R）在谷氨酸突触的 GluN2-NMDAR 受体蛋白信号成熟过程中似乎也发挥了作用。敲除 GluN3A 亚基会改变 NMDAR 受体蛋白与 EphB2R 之间的相互作用，但研究发现，GluN3A 对 GluN2A-NMDAR 受体蛋白的脱稳作用与与 PSD95 的相互作用无关。这一发现还表明，GluN3A 的脱稳作用将突触 GluN2B 到 GluN2A 的转换限制在发育的后期阶段，从而使 GluN2B-NMDAR 受体蛋白信号在关键发育阶段占主导地位。

对神经发育和失调的影响

最后，这项研究描述了一种机制，在这种机制中，GluN3A 亚基会阻止 GluN2A-NMDARs 受体蛋白在成熟突触处的稳定，从而有利于降低 GluN2A/2B 突触比率。这似乎是一种控制谷氨酸能突触成熟的调节机制，与哺乳动物大脑正常发育的关键进化过程相一致。此外，GluN3A 表达的改变已在各种神经发育和精神疾病中这表明，GluN3A 表达的变化可能会限制突触的可塑性和成熟，从而导致神经网络功能失调。

连接更广阔的视角

这项研究揭示了 GluN3A 亚基防止 GluN2A-NMDARs 受体蛋白过早稳定的独特机制。它使我们对突触成熟如何与经验相联系以及发育受限的 GluN3A 表达如何对哺乳动物大脑的正常进化至关重要的认识又增加了一层。这种表达的改变可能会限制突触成熟的时间窗口，从而导致神经和精神疾病，因此深入了解 NMDARs 受体蛋白是一项有价值的研究。

【1】I. M. González-González, Gray J A , Ferreira J S ,et al.GluN3A subunit tunes NMDA receptor synaptic trafficking and content during postnatal brain development.[J].Cell reports, 2023, 42 5:, 112477. DOI:10.1016/j.celrep.2023.112477.

【2】Katz, L.C. and Shatz, C. J.(1996). Synaptic activity and the construction of cortical circuits. Science 274, 1133-1138. 

【3】Paoletti, P., Bellone, C. & Zhou, Q. NMDA receptor subunit diversity: impact on receptor properties, synaptic plasticity and disease. Nat Rev Neurosci 14, 383-400 (2013)