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神经元树突必须长距离传递突触输入信息，但由活动诱发的细胞内信号在宏观距离上进行传播的机制仍不清楚。
基于此，2024年12月20日霍华德・休斯医学研究所Jennifer Lippincott-Schwartz研究团队在Cell杂志发表了“Periodic ER-plasma membrane junctions support long-range Ca2+ signal integration in dendrites”揭示了周期性排列的内质网-质膜接合处像一系列稳定的“信号站”，在神经元树突中高效传递和整合钙信号，确保长距离的信息交流。
作者发现了一个周期性排列的内质网-细胞膜（ER-PM）连接系统，它以大约1微米的间隔覆盖树突的细胞膜，并且通过呈梯状阵列排布的内质网小管网络相互连接。内质网-细胞膜连接处存在由junctophilin连接的细胞膜电压门控钙离子通道以及内质网钙离子释放通道，这里是内质网与细胞膜相互交流、钙离子稳态的精细调节以及钙离子/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II局部活化的枢纽。局部树突棘受到刺激会激活钙离子调节机制，有助于信号传递以及在20微米之外的内质网-细胞膜连接处实现依赖兰尼碱受体（Ryanodine Receptor, RyR，是一类位于内质网或肌浆网膜上的钙离子通道，它们在细胞内的钙离子释放中起着关键作用）的钙离子释放。因此，相互连接的内质网-细胞膜连接支持信号传播以及钙离子从邻近树突棘的内质网中释放出来。这种亚细胞结构改变局部及远处近膜生物化学过程的能力可能有助于树突的信息运算。总结来说，周期性的ER-PM接合处不仅提供了稳定的结构支持，还作为高效的钙信号传导枢纽，促进了树突中长程钙信号的整合，这对于神经元的功能和信息处理具有重要意义。
图一 ER-PM接触位点在体外和体内均以规则间隔覆盖海马神经元的细胞膜
作者运用三维活细胞晶格结构照明显微镜（SIM，一种高分辨率的显微成像技术，能够提供活细胞内精细结构的三维图像）来探究大鼠海马神经元培养物中的树突内质网组织结构，这些培养物共表达内质网标记物HaloTag（HT）-Sec61β或mEmerald-Sec61β以及细胞膜标记物mScarlet-CAAX2。对整个树突的观察显示，在近端和中间树突中存在梯状内质网形态，内质网梯的每一横档末端都靠近细胞膜，而远端树突中的内质网形态则较为简单，仅由单个内质网管状结构组成。近端和中间树突中的梯状内质网阵列由纵向小管构成，这些纵向小管将与细胞膜呈垂直相交的短横向管状元件相互连接起来。直径更宽的近端树突相较于中间树突，有着更多的纵向以及相互连接的横向内质网元件。通过三维晶格结构照明显微镜对整个树突进行观察，发现HT- JPH3点状结构定位于内质网-细胞膜接触位点处，具体位于梯状内质网阵列每一横档的末端。与内源性表达的JPH3情况一样，HT - JPH3点状结构沿着整个树突分支以及在所有分析的神经元中始终以约0.8 ± 0.1微米的间隔分布。对JPH3接触位点相对于树突棘位置的综合分析显示，当内质网伸入树突棘头部时，接触位点位于距树突棘颈部600纳米范围内；当内质网未出现在树突棘中时，由JPH3协调的连接位点则位于1微米范围内。
因此，定位于这些接触位点的分子机制可能会受到树突棘刺激的影响。通过在正交视图中对HT - JPH3接触位点与内质网的关系进行成像，发现内质网是由相互吻合的小管构成的网状结构，这些小管附着于多个以环状方式分布在细胞膜周围的JPH3接触位点上。这一观察结果表明JPH3接触位点具有内质网锚定作用。接下来，作者通过对小鼠海马神经元树突片段进行聚焦离子束扫描电镜（FIB - SEM）以及内质网/细胞膜分割，来检测在体外观察到的内质网和内质网-细胞膜接触位点的排列情况是否能在体内观察到。对三条不同树突的三维分割进行量化分析表明，以内质网管状结构为参照，连续的内质网-细胞膜接触位点之间的平均距离约为1微米，这与在大鼠海马神经元培养物的树突中所观察到的内质网-细胞膜接触位点间隔情况相似。
无脊椎动物神经元（特别是黑腹果蝇中枢神经系统）果蝇神经突中的内质网呈现出规律的梯状组织结构，每一横档末端都靠近细胞膜。与在小鼠和大鼠海马细的中间树突中所观察到的内质网梯状形态相比，果蝇大神经突中的内质网梯状结构的横档更为精细复杂，包含内质网窗孔以及相互吻合的内质网管状结构。如同在海马树突中所观察到的内质网梯状结构的横档一样，果蝇神经突中内质网梯状结构的横档也是以规律间隔（约1.5微米）分布。它们同样与细胞膜呈垂直角度相接触。对这些接触位点仔细观察发现，在紧密相互作用部位（距离小于30纳米范围内）存在电子致密物质。除了有规律间隔分布的内质网-细胞膜接触位点之外，作者在果蝇神经突中还观察到了更大的、与梯状结构横档无关的接触位点，它们是由在细胞膜下方纵向延伸的内质网管状结构形成的，这在大鼠和小鼠海马树突中也能观察到。
图二 在主要的细胞骨架受到扰动的情况下，规则分布的ER-PM连接稳定
接下来，作者探究了大鼠海马神经元树突中梯状内质网以及ER-PM连接的稳定性和动态变化情况。利用二维晶格结构照明显微镜成像技术，以20毫秒的间隔获取了延时序列图像。结果发现，内质网-细胞膜连接在数分钟内保持稳定，而梯状内质网元件则呈现出动态行为，其管径会在毫秒到秒的时间尺度内不断地伸出、回缩、变窄或扩张。为了检测内质网 - 细胞膜连接是否起到锚定梯状内质网元件的作用，让神经元暴露于低渗胁迫环境中。经过这样的处理后，暴露于低渗条件下，ER会囊泡化为巨大的囊泡，但ER-PM接合处未被破坏。ER梯状结构转变为大囊泡，这些囊泡仍以规律间隔分布并与质膜保持接触。溶酶体和线粒体能够自由穿过ER梯状结构的“横档”，仅暂时改变ER梯状组织而不影响ER-PM接合处的排列。FIB-SEM数据展示了线粒体穿过多个连续的ER横档，并且微管也能通过ER横档的孔洞延伸，表明ER横档不是这些结构的屏障。即使在使用诺考达唑解聚微管后，ER梯状形态及其与质膜的周期性接触未受影响。ER梯状组织似乎也不依赖于周期性的肌动蛋白环，肌动蛋白环的周期性远小于ER梯状结构，并且ER管状结构可以在肌动蛋白环之间伸出以到达ER-PM接触位点。低渗应激导致肌动蛋白和中间纤维解聚，但ER-PM接合处依然保持联系，表明中间纤维在形成或稳定规律的ER-PM接合处中不起重要作用。果蝇缺乏中间纤维蛋白表达，但仍存在周期性的ER-PM接合处。这项研究表明ER-PM接合处在面对多种细胞骨架扰动时具有显著的稳定性和锚定功能，而ER梯状结构的动态性和组织形式相对独立于主要细胞骨架成分。
图三 ER-PM接触位点含有内质网钙离子摄取和释放的机制
作者接下来进一步探讨内质网相关的钙离子释放和摄取机制在神经元树突中的分布，特别是这些机制的组件是否定位于JPH3阳性的ER-PM接合处。基态条件下STIM2（ER定位的钙传感器）在ER-PM接合处富集，并且这些STIM2斑点以与JPH3相同的规律间隔分布。ER 钙耗尽时STIM1在ER梯状结构上广泛分布，但在ER钙耗尽时也会聚集到ER-PM接合处。SERCA（将钙从细胞质泵入ER腔的泵）在整个ER梯状结构中均匀分布，没有在ER-PM接合处累积。RyRs（ER钙释放通道）在近端、中部和远端树突区域的ER中与JPH3阳性的ER-PM接合处共定位，约50%的JPH3阳性接触点含有RyRs，通常位于ER横档的两端。JPH3和STIM2共定位的ER-PM接合处也与质膜上的电压门控CaV2.1热点共定位。ER-PM 接合处作为钙信号枢纽：基态下，JPH3阳性的ER-PM接合处富含特定类型的钙处理机制（如STIM2和RyRs），而SERCA和STIM1则更广泛分布。结合质膜相关电压门控钙通道（CaV2.1, CaV2.2, 和 CaV1.2），这些周期性排列的接合处作为沿树突的串行钙流和信号传导的关键节点。该部分结果表明ER-PM接合处在神经元树突中扮演着钙信号传导枢纽的角色，通过特定定位的钙离子处理机制和电压门控钙通道实现高效的钙信号传递。
总结
图四 全文摘要图
在啮齿动物和果蝇的神经元树突中，内质网与质膜之间存在规律间隔的接触位点，这些位点作为调节钙离子稳态的枢纽，并促进沿树突全长的长程信号传导。神经元内质网及其质膜接合处呈现出梯状排列模式，类似于肌肉细胞中肌浆网与质膜接合处的结构。这种梯状排列的接触位点对于维持细胞内的钙离子平衡至关重要，并且在神经信号的传递过程中扮演着重要角色。通过这种结构，细胞能够有效地控制和传播信号，确保神经活动的精确性和效率。
文章来源
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.11.029
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