人类皮质神经元的突触幼态性需要SRGAP2-SYNGAP1的物种特异性平衡

近年来，针对大脑发育过程中的延缓性（neoteny）研究获得了科学界的广泛关注，尤其是在探索人类大脑进化和神经发育疾病（NDDs）方面。由Baptiste Libé-Philippot、Ryohei Iwata等人所撰写的《Synaptic Neoteny of Human Cortical Neurons Requires Species-Specific Balancing of SRGAP2-SYNGAP1 Cross-Inhibition》一文（2024年，发表在《Neuron》）即深入探讨了这种延缓性现象在大脑皮质神经元中的分子机制。作者团队来自比利时的VIB-KU Leuven脑与疾病研究中心、美国哥伦比亚大学、自由布鲁塞尔大学以及其他知名机构。该研究探讨了与人类独有的基因SRGAP2B/C和主要的智力障碍（ID）/自闭症谱系障碍（ASD）基因SYNGAP1的相互调节如何控制人类皮质神经元突触的发育节奏。

一、研究背景：人类大脑发育的延缓性与神经发育疾病

人类大脑发育的显著特征之一是皮质神经元发育节奏缓慢，相比其他哺乳动物，尤其是非人灵长类动物，人类皮质神经元的发育过程可以持续数年。这种延缓性的发育特征不仅带来更长时间的突触可塑性，同时也使人类在认知功能上更具复杂性。近年来，有研究指出，某些神经发育疾病（如ID和ASD）可能与大脑发育节奏的加速有关。SRGAP2基因家族和SYNGAP1基因的相互调节对这一发育节奏产生了影响。然而，关于人类特有的SRGAP2B/C基因在这一过程中所起的具体作用一直没有得到充分验证。为此，本文针对人类皮质神经元中的SRGAP2-SYNGAP1相互调节机制进行了深入探讨，揭示了其在突触发育中的重要作用。

二、研究机构与方法概述

该研究团队来自比利时KU Leuven脑科学研究所、自由布鲁塞尔大学以及哥伦比亚大学神经科学系等机构，文章发表于2024年11月的《Neuron》。研究中，作者使用了一种“人-鼠嵌合模型”，即将人类皮质神经元移植到新生小鼠的大脑皮层中，观察人类神经元在快速发育的鼠脑环境中的表现。此研究方法有助于探究细胞本身是否具有种属特异性的发育节奏。此外，研究通过使用两种不同的短发夹RNA（shRNA）对SRGAP2B和SRGAP2C基因进行下调，进而揭示这些基因在神经元突触发育中的调控作用。

三、研究流程与具体方法

1. 嵌合体模型构建与基因下调：研究团队首先利用多能干细胞（PSC）诱导分化生成深层皮质神经元，并通过lentiviral载体对人类皮质神经元中的SRGAP2B/C进行特异性下调。在基因敲低实验中，他们选用了两种靶向SRGAP2B/C基因3’非翻译区（UTR）的shRNA，这一区域在SRGAP2A基因的mRNA中不存在，以确保下调仅针对SRGAP2B/C基因，而不影响SRGAP2A基因的表达。

2. 突触发育观察：研究人员观察了嵌合体模型中人类皮质神经元的突触发育过程，主要包括突触的密度和头部宽度等指标的变化。通过两种方式验证了基因敲低效果：首先，检测SRGAP2B/C基因敲低是否会导致SRGAP2A的表达增加；其次，通过恢复实验验证敲低效应的特异性。

3. 突触功能测试：利用膜片钳记录技术，团队进一步研究了SRGAP2B/C敲低对突触功能的影响。他们测量了自发兴奋性突触后电流（sEPSCs）的频率和幅度，以探讨突触的成熟状态。实验结果表明，敲低SRGAP2B/C基因会导致突触的快速成熟。

4. 蛋白质水平的调控机制探讨：通过体外细胞系实验，研究团队发现，SRGAP2B/C主要通过增加SRGAP2A蛋白在突触外的表达，间接抑制了SYNGAP1在突触中的累积。进一步的实验证实SYNGAP1和SRGAP2A蛋白在突触处形成了“互相拮抗”的平衡关系。

四、研究结果与主要发现

1. SRGAP2B/C对突触发育的延缓作用：研究发现，人类特有的SRGAP2B和SRGAP2C基因在皮质神经元发育过程中扮演了“调节因子”的角色，通过抑制SRGAP2A在突触中的水平，从而促进了SYNGAP1的突触累积。这一过程减缓了突触的成熟速度，使得人类皮质神经元在发育上具有显著的延缓性特征。

2. SYNGAP1与SRGAP2A之间的拮抗平衡：SRGAP2A和SYNGAP1蛋白在突触中呈现出互相抑制的关系，SRGAP2A的增加会抑制SYNGAP1的突触累积，而SYNGAP1的增加则会减少SRGAP2A在突触中的水平。这一拮抗平衡机制成为调节突触发育节奏的关键因素。

3. 种属特异性的突触发育节奏：研究表明，在人类皮质神经元中，SRGAP2B/C基因的缺失会导致突触发育节奏的显著加快，使突触在早期就达到更高的成熟水平，这一发现表明了人类神经元在突触发育节奏上的种属特异性。

4. 突触成熟与功能的调控机制：电生理实验结果表明，SRGAP2B/C缺失的人类皮质神经元表现出更高的突触电流频率和幅度，表明突触更早地达到功能成熟状态。进一步的蛋白质检测实验发现，SRGAP2A和SYNGAP1蛋白在突触中的水平随着发育过程呈现出相互调控的特点，这为理解突触发育的分子机制提供了新思路。

五、结论与研究意义

本研究首次揭示了人类特有的SRGAP2B/C基因在调节皮质神经元突触发育节奏中的关键作用。通过SRGAP2A和SYNGAP1之间的拮抗机制，这一基因家族能够有效延缓突触的发育过程，为人类大脑发育和认知功能的发展提供了时间窗口。同时，这项研究还揭示了SRGAP2/SYNGAP1在神经发育疾病（如ASD和ID）中的潜在作用，为这些疾病的研究提供了新的分子靶点。未来的研究或许可以通过进一步调控这些基因的表达，为神经发育疾病的治疗探索新的可能性。

六、研究的创新点与展望

1. 种属特异性的分子机制探索：本文首次揭示了SRGAP2B/C基因在人类突触发育延缓性中的调控作用，为理解人类大脑独特的发育机制提供了新的视角。

2. 突触发育与神经发育疾病关联的发现：研究表明，SRGAP2B/C基因对SYNGAP1的调控失衡可能与ASD、ID等神经发育疾病的发生机制相关，这一发现有望推动相应疾病的临床研究与治疗探索。

3. 未来研究的潜在方向：研究团队指出，由于小鼠模型的寿命限制，人类皮质神经元在小鼠脑中的发育时间尚未达到完全成熟水平。未来的研究可以探索更长时间的移植实验，或借助其他灵长类动物模型，进一步揭示人类突触发育的终极机制。此外，研究团队还建议通过在体活体成像技术观察SYNGAP1和SRGAP2A的动态分布，为理解突触功能和可塑性提供进一步的证据。

本研究为人类皮质神经元的突触发育节奏提供了全新的分子解释，揭示了SRGAP2B/C在神经发育过程中的关键作用及其与SYNGAP1的复杂关系。这一发现不仅深化了我们对人类大脑进化与神经发育疾病的理解，同时也为未来的神经科学研究和疾病治疗提供了宝贵的分子靶标。