西安交通大學楊睿團隊最新PNAS

發育中的大腦通過學習、經驗及記憶形成驅動的神經可塑性發生變化。軸突起始段（AIS）是位于軸突近端的特化膜結構域，負責動作電位的啟動。研究表明，AIS通過改變其長度和/或定位來反映神經刺激，從而調節神經元興奮性，表現出可塑性特征。然而，AIS可塑性如何影響大腦功能尚不明確。480 kDa巨型錨蛋白G（gAnkG）是AIS與郎飛結的主要組織者。作者先前研究發現，gAnkG神經元特異性結構域中一個與神經發育障礙相關的變異（Thr1861Met）會導致錨蛋白G缺失的體外培養神經元形成彌散型AIS。

2025年11月24日，西安交通大學楊睿獨立通訊在PNAS（IF=9.4）在線發表題為“Impaired AIS plasticity in ankyrin-G mutant mice alters cortical excitability and behavior”的研究論文。該研究通過構建攜帶該突變點的基因敲入小鼠，發現其表現出運動協調與社會互動能力缺陷。這些敲入小鼠的神經元形成了延長的AIS，但關鍵AIS組分（包括錨蛋白G、β4-血影蛋白、電壓門控鈉通道及神經束蛋白）的聚集未見顯著減少。

重要的是，與野生型AIS在高鉀或化學遺傳學（設計藥物專一激活受體）刺激下發生縮短不同，突變神經元中的延長AIS未能出現此類縮短現象，表明其AIS可塑性存在缺陷。在發育早期，敲入小鼠初級運動皮層和前扣帶皮層神經元的AIS長度正常，但未能出現野生型神經元中觀察到的發育性縮短過程；至出生后第60天，這些腦區最終形成延長的AIS并伴隨神經元興奮性增高。由此可見，gAnkG蛋白突變通過損害活動依賴性AIS可塑性，導致神經元興奮性異常及行為學缺陷。

神經元的信息處理依賴于軸突起始段（AIS）。該結構是緊鄰胞體、長度約20至60微米的特化膜結構域，也是離子通道高度富集且動作電位（AP）起始產生的部位。AIS負責整合來自胞體與樹突的信息，并向下一級神經元及其他效應細胞發起神經沖動。在某些類型的興奮性神經元中，γ-氨基丁酸（GABA）能突觸亦靶向AIS，使其成為微環路中抑制性信號整合的核心樞紐。AIS結構異常與多種神經系統疾病相關，包括自閉癥、Angelman綜合征、X染色體相關裂腦綜合征、癲癇及雙相情感障礙。

AIS具有顯著的可塑性，能夠根據刺激動態調整其長度及與胞體的間距——這一特性被認為是維持神經元興奮性穩態的關鍵機制。這種活動依賴性重構已通過多種實驗范式得以驗證。在體外研究中，可通過以下方式調節突觸輸入以誘導AIS重構：氯化鉀誘導去極化、應用6,7-二硝基喹喔啉-2,3-二酮與河豚毒素、激活N-甲基-D-天冬氨酸受體、阻斷M型鉀離子通道、電刺激或磁刺激、光遺傳學調控以及藥物干預枝形吊燈細胞的軸-軸突觸。在體研究則通過感官剝奪范式驗證該重構現象，包括耳蝸切除、嗅覺剝奪、觸須-桶狀皮層通路剝奪、視覺剝奪、聽覺輸入改變及脊髓背角炎癥模型。在病理層面，來自肌萎縮側索硬化癥或阿爾茨海默病患者的誘導多能干細胞（iPSC）分化神經元重現了AIS長度改變及繼發的神經元興奮性變化，為AIS可塑性提供了進一步支持。這些一致性結果凸顯了AIS在穩定神經網絡功能及優化突觸輸出中的核心作用。然而，AIS可塑性究竟存在于正常腦功能中，還是僅出現于神經元活動顯著擾動或病理狀態下，目前尚不明確。

模式機理圖（圖片源自PNAS）

AIS中存在一個由特定膜蛋白、相關適配蛋白及細胞骨架組分構成的特化蛋白質網絡。該網絡的核心是480 kDa的巨型錨蛋白G（gAnkG），其為ANK3基因通過可變剪接轉錄本編碼的最長亞型。gAnkG通過其神經元特異性結構域（NSD）調控AIS組裝，該結構域是由7.8 kb的第37號外顯子編碼的脊椎動物特有序列。NSD在斑馬魚至人類中的進化保守性提示其功能重要性。生物信息學預測顯示該區域具有內在無序特性，使其能夠與多種大分子發生動態交互作用，從而實現蛋白質網絡的上下文依賴性調控。盡管具備這些結構特征，gAnkG在AIS結構可塑性及功能適應性中的具體作用仍不清楚。

作者此前報道了兩例攜帶gAnkG的NSD結構域復合雜合變異的兒科病例：病例一為男性患兒，攜帶Thr1861Met與Pro2490Leu變異，表現為特定性語言障礙合并輕度自閉譜系特質；病例二為女性患兒，攜帶Thr1861Met與Lys2864Asn變異，臨床表現為共濟失調、智力障礙、癲癇發作及自閉譜系障礙。功能分析顯示，這些NSD變異在錨蛋白G敲除的海馬神經元培養體系中引發兩類關鍵異常：1）AIS區域錨蛋白G總量降低且其分布范圍拓寬；2）AIS中β4-血影蛋白的聚集顯著減少。

本研究通過CRISPR-Cas9基因組編輯技術構建了gAnkG基因（小鼠直系同源位點為Thr1935Met）的純合Thr1861Met敲入小鼠（Ank3T1935M/M）。相較于作者前期使用的錨蛋白G敲除神經元，此模型特異性靶向gAnkG亞型，能更精準地模擬人類臨床病例。ANK3T1935M/M小鼠初級運動皮層（M1）和前扣帶皮層（ACC）神經元在出生后早期（PND 28）呈現正常的AIS結構，但未能出現野生型神經元中觀察到的發育性縮短現象；至出生后第60天，這些腦區表現為AIS延長及神經元興奮性增高。AIS中β4-血影蛋白的聚集未見顯著減少。這些結構異常與小鼠社交互動和運動協調行為缺陷相關。通過使用Gq耦聯的設計藥物獨家激活受體（DREADD）hM3Dq刺激神經元，發現ANK3T1935M/M小鼠的AIS可塑性受損。這種AIS可塑性缺陷可能是發育性AIS重構障礙的內在機制。綜上所述，本研究證實gAnkG在調控AIS可塑性中發揮關鍵作用，并為AIS可塑性完整性與正常腦功能及行為表型發育間的關聯提供了直接證據。

https://doi.org/10.1073/pnas.2513363122