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撰文 | Qi
初级纤毛是一种基于微管的膜结合隔室，从基体延伸几微米到细胞外空间【1】。纤毛病是由与纤毛结构和功能相关的突变蛋白引起的遗传疾病，包括胚胎和围产期死亡到内脏倒位、多指畸形、肾囊肿形成、肥胖和神经功能缺损等，这些表型几乎都可以归因于胚胎发育异常。尽管纤毛在大多数终末分化的成人骨骼肌和心肌中丢失，但它们仍然存在于大多数成熟的神经元和大脑的神经胶质中【2】，但人们对这些初级纤毛的功能知之甚少。需要注意的是，成人大脑中的初级纤毛富含某些用于神经递质的G蛋白偶联受体（GPCR），包括多巴胺（DA）、血清素和生长抑素【3】。已有工作证明去除纤毛定位的生长抑素受体3（SSTR3）会导致新物体识别认知障碍，而不会严重影响大脑发育【4】。为了深入了解成人大脑中神经元初级纤毛的潜在功能，来自美国珍妮莉亚研究园区的David E. Clapham团队于2022年9月1日在Cell杂志上发表了一篇题为 A serotonergic axon-cilium synapse drives nuclear signaling to alter chromatin accessibility 的文章，他们证明了脑干5-羟色胺能轴突和海马CA1锥体神经元初级纤毛之间的突触结构，这些纤毛富含纤毛限制性5-羟色胺受体5-HTR6，能激活非经典的、能调节核肌动蛋白并增加组蛋白乙酰化和染色质可及性的Gαq/11-RhoA 通路。作为一种靠近细胞核的信号装置，轴-纤毛突触短神经传递可以改变突触后神经元的表观遗传状态。聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）可用于重建CA1神经元初级纤毛的微环境。研究人员跟踪了两条CA1纤毛，沿其长度具有可变数量的微管双峰，两个纤毛在含有突触小泡和线粒体的轴突上相遇（如下图1A所示），那么椎体神经元纤毛是否正在与轴突形成专门的接触，以及这些是否是神经传递的特定部位呢？于是他们收集了8个成熟小鼠海马体的FIB-SEM数据集，其中大多数纤毛都有与轴突接触的部位（图1）。由于这些形成接触的轴突起源于数据集之外的神经元，研究人员首先确定了这些轴突的身份。5-HTR6作为一种5-羟色胺能GPCR，主要位于神经元初级纤毛中，作者使用内源性Htr6-EGFP敲入小鼠系来表征CA1锥体神经元中5-HTR6的位置，用ADCY3抗体标记锥体神经元纤毛显示94%的CA1锥体神经元纤毛是5-HTR6+的，同时用抗5-羟色胺转运蛋白（SERT）抗体来标记轴突，35%的纤毛与轴突紧邻，且所有与纤毛并列的轴突位点均为突触素阳性，表明这些位点是5-羟色胺释放位点。超微结构分析提供了轴突-纤毛突触的解剖学证据，那么5-羟色胺能轴突的激活是否会将5-羟色胺释放到纤毛上？为此，作者设计了一种基于GPCR激活（GRAB） 策略的纤毛靶向5-羟色胺传感器，并使用5-HTR6受体作为支架（GRAB-HTR6-PM）。随后，他们分别在海马和5-羟色胺能神经元中表达传感器和ChrimsonR（光敏通道蛋白），给予1 Hz光刺激后可以检测到5-羟色胺释放到与5-羟色胺能轴突突触接触的纤毛上。接下来，作者想知道释放后的“后续事件”。基于之前的相关工作，作者推测5-羟色胺或许可以激活Gαq/11-Trio-RhoA通路。结果显示10 nM 5羟色胺刺激可以在5-15分钟内增加神经元纤毛中的RhoA活性，如果添加5-HTR6阻断剂或Gαq/11抑制剂则能在很大程度上消除这种激活效果，表明5-羟色胺刺激导致纤毛中Gαq/11依赖性的RhoA激活。图2. 5-羟色胺刺激纤毛HTR6可以激活纤毛中的RhoA。RhoA激活可通过Rho相关激酶磷酸化内收蛋白并增加其对F-肌动蛋白的亲和力，而核肌动蛋白的改变会改变染色质景观【5】，它能直接结合并调节乙酰转移酶KAT14的活性，后者能显著乙酰化H4K5，因此，作者假设5-HTR6受体的刺激可能会调节海马中的H4K5ac。通过注射5-羟色胺激动剂，H4K5ac比例显著增加，如果同样给予Htr6 KO小鼠则不会引起此效应。组蛋白乙酰化与染色质可及性增加有关，ATAC-see是一种利用带有荧光标记寡核苷酸的高活性转座酶突变体来标记单层细胞中可及染色质的技术【6】，5-羟色胺激动剂的注射能显著增加固定的鹅小鼠大脑切片中ATAC-see标记，即染色质可及性增加，如果抑制纤毛RhoA活性则会降低可及性。总之，这些数据表明纤毛5-HTR6信号通过 Gαq/11-Trio-RhoA通路控制染色质重塑状态。总之，这项工作的主要发现是轴突将神经递质释放到轴突-纤毛突触上，并引发与质膜信号不同的限制性信号传导到细胞核，同时提出了一种可能性，即初级纤毛作为一种表观遗传调节剂来稳定转录编程以响应环境线索。在这个“纤毛作为核天线”模型中，纤毛提供了一个受保护的隔间，用于更短、更直接地编码受体结合以调节核转录。原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.026
制版人：十一
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