EMBO Journal | 王涛实验室揭示神经递质组胺合成和突触小泡转运偶联的分子

导读 ⭐

Introduction

2024年9月6日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院王涛实验室在EMBO Journal杂志在线发表题为“Histamine synthesis and transport are coupled in axon terminals via a dual quality control system”的研究论文。该研究发现神经递质组胺合成和囊泡转运在物理和功能上紧密偶联，而这种偶联机制是通过对Hdc运输和降解的双重调控来实现的。

新合成的神经递质被快速转运到突触小泡中储存对于维持高效、高频的突触传递至关重要。研究表明，单胺类神经递质，如多巴胺、5-羟色胺和组胺的稳态失调会导致细胞质中神经递质水平升高，从而产生细胞毒性，因此神经递质的代谢失调和许多神经退行性疾病的发生密切相关。神经递质合成与其向突触小泡快速转运偶联对维持突触传递，以及限制单胺类神经递质的细胞毒性作用至关重要，然而这种偶联的分子机制尚不清楚，其生理作用也尚未得到实验证实。

果蝇视觉系统利用组胺作为感光细胞轴突的神经递质，这为研究单胺类神经递质的代谢调控提供了优秀的遗传模型。果蝇感光细胞中组胺合成酶Hdc (histidine decarboxylase)和组胺囊泡转运蛋白LOVIT (loss of visual transmission)都仅在轴突末梢的突触定位，同时组胺也仅在轴突末梢富集，这表明组胺的合成及其突触小泡转运紧密连接。通过遗传学手段将Hdc分别锚定在感光细胞的胞体或轴突末梢时，组胺的分布也相应发生变化，而只有当Hdc锚定在轴突末梢时，组胺才能在突触中富集,从而发挥正常的光传导功能，因此Hdc的定位决定了神经递质组胺的定位，并且组胺是在突触本地合成的。利用生化和蛋白质谱等实验发现，Hdc定位于囊泡并且与囊泡膜蛋白NSF1 (N-ethylmaleimide sensitive factor 1) 相互作用。截短实验的结果进一步证实，Hdc通过N端与NSF1的相互作用实现了与囊泡的轴突共运输过程。

当Hdc的轴突运输被打断后，定位在感光细胞胞体的Hdc蛋白水平显著下降，而转录水平没有明显变化。当敲低蛋白酶体关键亚基的表达时，感光细胞胞体中的Hdc蛋白水平明显上升，而敲低自噬关键基因的表达时，胞体中的Hdc的蛋白水平没有明显变化，这表明胞体Hdc蛋白水平下降是受到蛋白酶体的降解。通过RNAi筛选发现，E3泛素连接酶POE (purity of essence) 介导了Hdc的选择性降解，当敲低POE的表达后，感光细胞胞体内的Hdc蛋白水平显著增加。胞体积累的Hdc会导致感光细胞死亡，过表达HNMT (histamine N-methyltransferase) 降解组胺可以有效抑制细胞死亡的表型。

这些研究表明，神经递质组胺合成和突触小泡的偶联对维持神经递质稳态和保护神经元存活起着关键作用。

王涛实验室的博士毕业生彭磊为本文的第一作者，王涛博士为通讯作者。北京生命科学研究所影像中心、电镜中心、核酸测序中心、蛋白质组中心以及中科院遗传与发育研究所的电镜中心为本研究提供了重要支持。该项研究获得科技部、国家自然科学基金委、北京市政府和清华大学资助，在北京生命科学研究所完成。

https://www.embopress.org/doi/full/10.1038/s44318-024-00223-0