《Nature》斯坦福大學駱利群研究團隊揭示嗅覺環路中的突觸配對機制

在大腦中，神經元要精準“配對”才能正確傳遞信息：就像插頭必須對準插座。在果蠅的嗅覺系統里，幾十種氣味神經元各自連接到專屬的“處理單元”（嗅小球），即使相鄰單元結構相似、位置緊挨，也很少接錯。科學家一直好奇：它們如何避免“插錯孔”？

基于此，2025年11月19日，斯坦福大學生物學系及霍華德·休斯醫學研究所駱利群教授研究團隊在《Nature》雜志發表了“Repulsions instruct synaptic partner matching in an olfactory circuit”揭示了嗅覺環路中，神經元靠“排斥”來精準配對。

作者結合單細胞轉錄組數據篩選并鑒定出三對介導排斥作用的細胞表面蛋白（CSP）配對：Toll2–Ptp10D、Fili–Kek1 和 Hbs/Sns–Kirre。在果蠅嗅覺環路發育中，這些蛋白對在特定的嗅覺受體神經元（ORN）和投射神經元（PN）之間呈互補表達：一個在ORN中高表達，另一個則在其非匹配的PN中表達。它們通過相互排斥阻止錯誤的ORN–PN連接。實驗表明，無論是在ORN還是PN中敲除任一配對蛋白都會導致相似的接線錯誤；而過表達某一蛋白引起的錯誤靶向，可通過同時敲除其配對蛋白來挽救。這些細胞表面蛋白（CSPs）對也在其他腦區差異表達，提示該機制具有普適性。

圖一 三對CSP在VA1d和VA1v嗅小球中的反向表達

VA1d 和 VA1v 是果蠅觸角葉中兩個相鄰的嗅小球分別處理不同的信息素信號。盡管它們功能不同，卻都高表達吸引性分子 Ten-m、低表達 Ten-a，因此無法靠這些分子區分彼此的神經連接。作者推測，另有其他CSP在兩者間差異表達，負責精確配對。

為此，研究團隊結合蛹期（24–30 小時）的單細胞轉錄組數據，篩選出 36 個在 VA1d 與 VA1v 的ORN或PN中差異表達的 CSP 候選基因，并通過組織特異性 RNAi 進行功能測試。結果發現，其中 14 個基因敲低后會導致 ORN 軸突錯誤投射到鄰近嗅小球。值得注意的是，單個 CSP 缺失通常只引起輕微表型，需同時干擾多個 CSP 才顯著破壞匹配特異性。

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進一步分析聚焦于三對呈現“反向表達”的 CSP：Toll2–Ptp10D、Fili–Kek1 和 Hbs/Sns–Kirre。通過基因敲入標記和蛋白檢測（蛹期 42–48 小時），證實這七種蛋白在觸角葉中確實差異分布且 mRNA 與蛋白表達模式高度一致。這些蛋白定位于新生嗅小球中 ORN 軸突和/或 PN 樹突的末端，位置上支持其參與突觸識別。

綜上，這三對 CSP 通過在正確配對的 ORN–PN 之間“錯開表達”，很可能介導排斥性相互作用，從而阻止錯誤連接。

圖二 Ptp10D/Toll2缺失引發ORN-PN錯配

作者研究發現，Toll2 和 Ptp10D 作為一對反向表達的細胞表面蛋白，在果蠅 VA1d 與 VA1v 嗅覺環路的精準配對中發揮關鍵排斥作用：Ptp10D 在 VA1d 嗅覺受體神經元和 VA1v 投射神經元中高表達，而 Toll2 則在 VA1v-ORN 和 VA1d-PN 中富集。

功能實驗表明，Ptp10D 在 VA1d-ORN 中以細胞自主方式防止其軸突誤入 VA1v 嗦小球，而 Toll2 在 VA1v-PN 中發出排斥信號，阻止 VA1d-ORN 與其錯誤連接；在 VA1d-PN 中敲低 Ptp10D 或在 VA1v-ORN 中敲低 Toll2，也會導致反向錯配。

值得注意的是，Toll2 在 ORN 中不起作用且僅在高表達區域操縱才產生表型，說明其功能具有細胞類型和空間特異性。這些結果支持一個模型：Toll2 作為排斥信號“發送方”，Ptp10D 作為“接收方”，通過跨細胞相互作用劃定相鄰嗅小球間的連接邊界，從而確保非配對神經元之間不發生錯誤突觸形成。

圖三 排斥性的Fili–Kek1相互作用

作者發現，Fili 與 Kek1 是另一對介導排斥作用的細胞表面蛋白：Fili 在 VA1d/DC3 投射神經元中高表達，Kek1 則在 VA1v 嗅覺受體神經元中富集。

功能實驗顯示，敲除 Fili（在 PN 中）或 Kek1（在 ORN 中）均導致 VA1v-ORN 軸突錯誤侵入 VA1d 嗅小球。在 VA1d-ORN 中過表達 Kek1 會使其軸突誤投至鄰近不表達 Fili 的嗅小球（如 VA1v、DA1）；而這一錯配表型在 Fili 突變體中被顯著抑制，說明 Kek1 的作用依賴于 Fili。單細胞過表達實驗證實 Kek1 以細胞自主方式起作用，而 Fili 在 ORN 中缺失無表型，表明其功能僅限于 PN。

綜上，Fili 在 PN 中發出排斥信號，Kek1 在 ORN 中接收該信號，二者協同阻止非配對神經元之間的錯誤連接。

圖四 排斥性的Hbs/Sns–Kirre相互作用以及三對CSP的組合表達

研究人員發現，果蠅大腦中有一套“分子身份證”系統幫助嗅覺神經元精準配對，避免接錯線。除了之前找到的兩對“排斥搭檔”（Toll2–Ptp10D 和 Fili–Kek1），他們又確認了第三對：Hbs/Sns 和 Kirre。簡單來說，VA1d 投射神經元（PN）表面掛著“Hbs/Sns 標簽”，而 VA1v 嗅覺神經元則帶著“Kirre 接收器”。當錯誤的 ORN 靠近時，Kirre 會識別到不該出現的 Hbs/Sns 信號觸發排斥，從而阻止錯誤連接。

進一步分析發育期單細胞轉錄組發現，編碼這三類排斥信號（Toll2、Fili、Hbs/Sns）的基因在多種 PN 中以組合方式差異表達：大多數 PN 高表達其中一種或兩種，極少同時表達全部三種。這種策略既能有效排斥非配對 ORN，又為正確配對保留“兼容窗口”，從而以有限的分子工具高效實現果蠅觸角葉約50對嗅覺環路的精準布線。

總結

該研究揭示果蠅通過三對排斥性細胞表面蛋白的組合表達，以“分子門禁”機制防止相鄰嗅覺神經元錯配，提出了一種高效、可擴展的神經環路精準布線策略，不僅深化了對發育中排斥作用的理解，也為神經發育疾病和類腦智能設計提供了新思路。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09768-4

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