《Molecules and Cells》：Roles of Synaptic Cell Adhesion Molecules in the Neuromodulatory Systems
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這篇綜述聚焦于突觸細胞黏附分子（CAMs）在多巴胺能（DA）和5-羥色胺能（5-HT）等神經調制系統中的功能。傳統上，這些系統被認為主要通過非突觸的體積傳輸（volume transmission）發揮作用，但新近證據表明它們也能形成特化的突觸結構。本文通過整合單細胞轉錄組學分析和功能研究，系統梳理了在DA和5-HT神經元中表達的突觸CAMs（如Neurexins、Neuroligins、Cadm2、CDH13等）的分子譜系，探討了它們如何調控神經調制系統的發育、突觸結構、遞質釋放（包括DA、GABA和谷氨酸的共釋放）及其可塑性。文章揭示了突觸CAMs是塑造神經調制系統信號傳遞異質性的關鍵分子，其功能失調與自閉癥譜系障礙（ASD）、精神分裂癥（SCZ）、帕金森病（PD）等多種神經精神與神經退行性疾病密切相關。深入理解這些機制，將為相關疾病的治療提供新的靶點。
在探索大腦復雜通信網絡的過程中，我們熟知興奮性的谷氨酸能和抑制性的GABA能神經元通過大量特化的化學突觸進行快速、精準的對話。然而，另一類至關重要的神經元——神經調制神經元，如多巴胺能（DA）和5-羥色胺能（5-HT）神經元——其工作方式曾被認為是不同的。它們發出長程軸突遍布全腦，傳統觀點認為它們形成相對較少的經典突觸連接，其受體廣泛分布于突觸外膜，從而支持一種緩慢、彌散的非突觸通信模式，即體積傳輸（volume transmission）。這種模式負責全局調節與認知、情緒、注意和行為相關的腦網絡活動。
但越來越多的證據描繪了一幅更復雜的圖景。神經調制軸突實際上能夠形成具有超微結構定義的突觸特化，其特征包括前突觸囊泡池和后突觸致密區。例如，約30-40%的紋狀體DA軸突膨體能形成突觸特化，并且大約30%的膨體可以通過由RIM、Munc13、Liprin、ELKS和Bassoon等組成的、類似于活性區的分子機器釋放多巴胺。這些發現突顯了突觸樣分子機制在塑造神經調制系統內異質性傳輸模式中的關鍵作用。
那么，是誰在組織并調控這些突觸結構呢？一個核心角色是突觸細胞黏附分子（CAMs）。這些橫跨突觸的黏附分子，通過物理連接前、后突觸，對突觸的發育、維持、功能和可塑性至關重要。在經典的谷氨酸能和GABA能突觸中，特定CAMs的調控作用已被廣泛研究。然而，它們在DA、5-HT等調制系統中的角色，直到近年才開始受到關注。
調制神經元中突觸CAMs的表達譜
為了解答“哪些突觸CAMs存在于調制神經元中”這一基本問題，研究者對已發表的小鼠DA和5-HT神經元單細胞RNA測序（scRNA-seq）數據集進行了分析。分析聚焦于那些編碼已知在前突觸發揮作用的CAMs的基因，特別是那些與后突觸配體發生異親性相互作用的分子。
分析結果顯示，DA和5-HT神經元表達一系列多樣化的異親性和同親性突觸CAMs，其表達模式大體相似。其中，Neurexins（Nrxns）家族的所有三個基因（Nrxn1， 2， 3）均有表達，其中Nrxn1和Nrxn3是成年神經元中的主要亞型。其他顯著表達的CAMs包括Cadm2（編碼SynCAM2）、Cdh13（Cadherin-13）、Alcam、Chl1、Cntn1和Ncam1等。值得注意的是，蛋白質組學研究在DA末梢中也檢測到了Cadm2/SynCAM2蛋白，而Cadm2基因突變已被證實與物質使用障礙相關，這為研究其在DA環路中的功能提供了 compelling 的理由。
Neurexins在DA和5-HT系統中的作用
Neurexins（Nrxns）是研究最為深入的前突觸CAMs之一，它們通過與其后突觸配體（如Neuroligins）發生橫跨突觸的結合，對突觸功能至關重要。Nrxn基因通過復雜的可變剪接，可產生數千種變體，具有不同的結合特異性和功能特性。
盡管在多種動物模型中的大量工作已確立Nrxns對快速突觸傳遞、可塑性及認知行為的關鍵作用，但它們在調制系統中的功能近期才被探索。在5-HT系統中，條件性敲除5-HT神經元中的所有三個Nrxn基因，會降低5-HT纖維密度、細胞密度和活性區蛋白含量，減少5-HT釋放，并導致社會認知行為缺陷。類似地，在DA系統中的研究發現，DA神經元特異性三重Nrxn敲除會降低苯丙胺誘導的運動活性和DA釋放，同時增加GABA的共釋放，但不影響基礎運動行為或前突觸超微結構。這些發現表明，Nrxns對神經調制傳輸至關重要，但對調制末梢的整體結構組織并非必需，這與在快速突觸中的觀察一致。未來的重要方向是剖析不同Nrxn基因（特別是占主導的Nrxn1和Nrxn3）在調制系統中的特異性貢獻。
其他前突觸CAMs在調制突觸形成和功能中的作用
目前，只有少數突觸CAMs在調制系統中的功能得到了表征。其中一個突出的是Cadherin-13（CDH13， 也稱T-cadherin）。這是一種非經典鈣黏蛋白，通過糖基磷脂酰肌醇（GPI）錨定在細胞膜上。研究發現CDH13在背縫核（DRN）5-HT神經元中高表達，其蛋白可在5-HT投射中被檢測到。條件性敲除5-HT神經元中的CDH13，會導致從胚胎發育到成年期5-HT神經元密度增加，并伴隨前額葉皮層中5-HT神經支配增強。盡管有這些顯著的解剖學變化，其行為后果相對溫和，包括輕微的學習記憶任務損傷和細微的沖動樣表型。鑒于CDH13在細胞遷移和軸突路徑尋找中的既定作用，一個未解決的重要問題是其缺失主要影響5-HT系統內哪些特定的發育或環路水平過程。有趣的是，CDH13在DA神經元中也高表達，這提示它可能在調制系統間發揮保守或上下文依賴的功能。
另外，Alcam和Chl1在發育過程中的DA神經元中表達，是正常DA軸突生長所必需的。然而，它們在塑造DA環路結構和突觸功能中的作用仍有待探索。轉錄組分析還強調了其他在DA和5-HT神經元中表達的候選CAMs，如Cntn1和Ncam1。這些發現突出表明，需要系統性地研究前突觸CAMs，以闡明調制系統發育和功能背后的分子機制。
后突觸CAMs在神經調制突觸中的作用
目前，Neuroligins（Nlgns）是神經調制突觸功能中研究最深入的后突觸CAMs。Nlgn家族是一個后突觸單次跨膜蛋白。在嚙齒類動物大腦中，Nlgn亞型在蛋白質水平上表現出突觸類型特異性表達。值得注意的是，Nlgn1和Nlgn2分別以互斥的方式在興奮性和抑制性突觸中表達。
在神經調制系統中，Nlgn2已被免疫組化檢測到紋狀體或皮層區域中具有GABA能突觸樣對稱膜特化的DA突觸。重要的是，Nrxns在DA末梢表達，這強烈提示了在DA突觸處前突觸Nrxns與后突觸Nlgn2之間存在橫跨突觸的相互作用。然而，DA末梢上存在的是α-還是β-Nrxn亞型，仍有待確定。
功能研究揭示了Nlgn2在體外和體內DA突觸中的作用。跨細胞蛋白質-蛋白質相互作用實驗證明，Nlgn2足以誘導DA軸突中的前突觸釋放機器組裝。盡管組成性Nlgn2敲除小鼠的紋狀體DA突觸密度或大小沒有變化（可能由于代償機制），但在紋狀體中局部敲低Nlgn2能顯著降低DA突觸密度。此外，紋狀體Nlgn2敲低會顯著損害急性腦片中由光遺傳學激發的、來自中腦DA軸突的DA釋放。這些發現共同支持了Nlgn2在DA突觸處DA釋放中的關鍵作用。
有趣的是，DA軸突可以在紋狀體內以腦區依賴的方式共釋放谷氨酸和GABA。短期（6周）紋狀體Nlgn2敲低選擇性地增強了DA軸突的GABA共釋放，而未顯著影響谷氨酸共釋放；而長期（12周）Nlgn2敲低則抑制了GABA和谷氨酸兩者的共釋放。這些發現表明，Nlgn2以神經遞質依賴的方式差異性地調控DA、谷氨酸和GABA的共釋放，突顯了后突觸CAMs在塑造神經調制傳輸中一個此前未被重視的作用。
展望與意義
總結而言，單細胞轉錄組分析與近期功能研究共同揭示，突觸CAMs是DA和5-HT系統中重要的組成成分。盡管有數十種突觸CAMs在這些神經元中表達，但僅有少數在調制環路中得到了功能驗證。這一巨大的知識缺口突顯了進行系統研究的必要性，以闡明突觸CAM介導的、調控神經調制系統發育、突觸組織和遞質釋放的機制。
神經調制突觸可能是突觸CAMs在神經調制系統中發揮作用的主要靶點。有證據表明，前突觸Nrxns與后突觸Nlgns在DA突觸處的橫跨突觸相互作用，可以通過對這些突觸的結構和功能控制來調節DA的突觸傳輸模式。一個吸引人的假說是，CAM介導的橫跨突觸相互作用在DA突觸處招募并組織類似于活性區的釋放機器。鑒于不同的神經調制神經元共享許多前突觸CAM基因的表達，這一假說可能代表了控制神經調制釋放的一個普遍原理。
另一方面，與經典的谷氨酸能和GABA能神經元相比，神經調制神經元形成的經典突觸特化更少。這種結構差異提示了另一個模型：前突觸CAMs可能通過與細胞內蛋白質（如Nrxn-CASK/Mints/Velis復合體）的相互作用，普遍位于突觸和非突觸末梢。這種分子配置可能允許神經調質不僅從突觸末梢釋放，也從非突觸末梢釋放，正如體積傳輸概念所提出的。
驗證這些有趣的假說需要先進的成像技術，能夠以高空間精度沿神經調制軸突繪制內源性突觸分子（包括CAMs）的分布圖。乙二醛固定劑的使用、內源性蛋白質熒光標記、單細胞內源性蛋白質標記等技術，將有助于在常規熒光顯微鏡下高分辨率地可視化內源性突觸分子。這些方法共同助力，將使我們更好地理解支撐神經調制系統異質性神經傳遞模式的、由突觸CAM介導的分子-解剖學框架。
DA和5-HT系統的功能障礙與自閉癥譜系障礙（ASD）、精神分裂癥（SCZ）、注意缺陷/多動障礙（ADHD）、帕金森病（PD）和阿爾茨海默病等多種疾病的病因學相關。值得注意的是，單細胞測序分析確定的許多突觸CAM基因，如Cadm1/2、Cdh13、Nrxns、Nlgn2、Ncam1等，都與這些神經系統疾病相關聯。這些CAMs在胚胎期和出生后早期高表達，突出了它們在突觸連接早期發育和成熟中的潛在作用。確定這些基因在神經調制環路中的發育軌跡至關重要，尤其重要的是確定它們的表達擾動如何導致神經發育障礙特有的認知和行為表型。總之，這些觀察結果突顯了DA和5-HT系統中突觸CAM介導的機制對神經精神和神經退行性疾病有重要貢獻的潛力。因此，嚴格表征突觸CAM在神經調制環路內的功能，是理解疾病機制和開發調節神經調制信號靶向治療策略的關鍵前沿。
