突触囊泡大小(是窃窃私语还是高声呐喊)
突触囊泡大小(是窃窃私语还是高声呐喊)注射Synapsin抗体能够去掉大部分、剩余一小部分囊泡在1995年,位于美国纽约的Greengard实验室发现,在七鳃鳗的神经元中,大部分的囊泡表达一个蛋白Synapsin,而小部分囊泡不表达这个蛋白。如果把Synapsin看成抗原,我们知道,加入Synapsin的抗体,就会发生抗原-抗体沉淀反应从而将表达Synapsin的囊泡去除掉。于是,他们将Synapsin的抗体注射到突触前,从而去掉大部分的囊泡,而另外一小部分囊泡不受影响。"窃窃私语"只需要几百个突触囊泡就够了,而“高声呐喊”则需要上百万个突触囊泡的参与。如果是一个典型的突触结构,在静息状态时,少部分的囊泡会附着在突触前膜的“活动区”,剩下大部分的囊泡会驻留在相邻的地方,离“活动区”比较远。少量囊泡聚集在活动区,大部分囊泡距离活动区较远除了少量囊泡附着在突触前膜的“活动区”以外,大部分囊泡在电镜下看起来几乎没有差
人是靠脑子活着的,这话一点都不假。我们日常生活中的各种活动,包括吃饭、睡觉、运动、思考、说话,都离不开神经递质传递。神经递质的传递依靠大脑内的神经元来实现。人类活动的本质,即大脑中神经元之间的交流活动。
突触神经元之间的交流,使用的一种结构叫做突触。什么是突触?突触就是神经元之间发生对话的地方。一个神经元说,另一个神经元听。对话的信息是神经递质(下图中的黄色点),包裹在囊泡(下图中的红色小球)中。说话的神经元叫做突触前神经元,倾听的神经元叫做突触后神经元。突触前神经元将信息释放到两个神经元之间,突触后神经元通过自己的受体接收到信号。由于释放的神经递质是化学物质,比如多巴胺、五羟色胺、肽类等,这种突触也叫做化学突触。
突触
在化学突触中,神经元的交流已经达到了一种高度特化的状态。有些神经元在小声地“窃窃私语”,有些神经元却在费力地“高声呐喊”。突触“喊”得越响,传递的信息就越强烈,需要释放的囊泡也就越多。
"窃窃私语"只需要几百个突触囊泡就够了,而“高声呐喊”则需要上百万个突触囊泡的参与。如果是一个典型的突触结构,在静息状态时,少部分的囊泡会附着在突触前膜的“活动区”,剩下大部分的囊泡会驻留在相邻的地方,离“活动区”比较远。
少量囊泡聚集在活动区,大部分囊泡距离活动区较远
除了少量囊泡附着在突触前膜的“活动区”以外,大部分囊泡在电镜下看起来几乎没有差别。但是,所谓“眼见不一定为实”,几十年来的科学研究发现,尽管看起来相同,但这些囊泡却有着不同的特征。
囊泡的非均一性在1995年,位于美国纽约的Greengard实验室发现,在七鳃鳗的神经元中,大部分的囊泡表达一个蛋白Synapsin,而小部分囊泡不表达这个蛋白。如果把Synapsin看成抗原,我们知道,加入Synapsin的抗体,就会发生抗原-抗体沉淀反应从而将表达Synapsin的囊泡去除掉。于是,他们将Synapsin的抗体注射到突触前,从而去掉大部分的囊泡,而另外一小部分囊泡不受影响。
注射Synapsin抗体能够去掉大部分、剩余一小部分囊泡
研究发现,去掉大部分囊泡后,高频电刺激(18赫兹)记录到的突触后反应显著减小,这就说明,当细胞接受高频率的刺激时,会用到表达Synapsin蛋白的这群囊泡。
换句话说,受到高频刺激的细胞想要“高声呐喊”,然而,由于没有充足的囊泡,细胞“喊”的声音不够响亮,后面的细胞也就听不见多少声音。
注射Synapsin的抗体去掉大部分囊泡,影响高频刺激的反应
与高频刺激不同的是,去掉大部分囊泡后,低频电刺激(0.2赫兹)记录到的突触后反应不变。这说明,当细胞接受低频刺激时,剩余的小部分囊泡就足够了,不需要用到表达Synapsin蛋白的这群囊泡。
也就是说,接受低频刺激的细胞只需要“窃窃私语”一番,剩余的少量聚集在活动区的囊泡就已足够,后面的细胞能够听到完整的信息,无需动用大批量的囊泡。
注射Synapsin的抗体去掉大部分囊泡,不影响低频刺激的反应
结合生理功能和分子机制,科学家将这些看起来相同的囊泡分成了多种类别,称为“库”。
类似不同的“仓库”储存着不同的囊泡,科学家们给所谓的“仓库”起了多种不同的名字,让人感觉本就没有研究清楚的所谓囊泡“库”的概念,显得更加扑朔迷离。
三个囊泡仓库为了简单起见,我们介绍三类囊泡“库”,分别是可释放库、回收库和储备库。
三类囊泡库
“可释放库”,一刺激立刻就能释放,释放时间小于1秒。这个囊泡库驻留在“活动区”,虽然只占总囊泡量的~1%,但是能够迅速应对低频刺激。像战争中的冲锋队,迅速冲杀向前。
“回收库”,释放时间是几秒的样子,占总囊泡量的~10-15%。“回收库”可以通过胞吞的方式回收囊泡,从而进行囊泡库的补充。此外,“回收库”也可以补充囊泡到“可释放库”。有人曾用青蛙的神经肌肉接头做实验,发现如果将“回收库”的囊泡完全消耗掉,突触就会动用“储备库”来释放囊泡。同样,在果蝇的神经肌肉接头中,有人通过基因突变的方式,抑制“回收库”的功能,使其不能释放。在这种情况下,突触也会动用“储备库”来释放囊泡。
“储备库”,反应慢,释放时间几十秒甚至几分钟,能够应对长时间持续刺激,占总囊泡的~80-90%。一般的生理刺激基本不会触发“储备库”。“储备库”像是聚集在广场的群众,高声呐喊,声势浩大,但一般情况下不太会出现。目前对如何触发“储备库”的研究仍需进一步的探索。
囊泡分子标签传统观点是将囊泡的功能归因于它们在突触活动区周围的分布情况。换句话讲,囊泡本身没有太大差别,只不过看它们是否有机会进入“活动区”,来决定能否释放递质。
但是,随着研究的进行,新的模型认为,囊泡分类更重要的是依据其分子特征上的差别。因此,在突触前膜的“活动区”,带有不同分子标签的囊泡各显神通,影响不同的释放方式。囊泡的释放方式也就并非简单的一种,而是包括自发释放和刺激释放,刺激释放又包括刺激后的同步释放和非同步释放。对释放方式的机制研究在该领域内仍然进行的如火如荼。
不同的释放方式下,囊泡上表达的蛋白(如v-SNARE复合体)不同。例如,表达经典的Syb2的囊泡介导刺激后的同步释放,而表达VAMP4的囊泡介导刺激后的非同步释放,表达Vti1a或VAMP7的囊泡介导自发释放。由于囊泡自身所带的标签(蛋白分子)不同,它们发挥功能时能够结合的合作伙伴也必然有所不同。因此,用分子特征来分类,更能代表不同囊泡的功能特征。
总结突触囊泡是神经元释放神经递质的主要载体,能够调控神经元之间的交流方式。或喃喃细语,或大喊大叫,细胞通过动用不同类群的囊泡库,达到语言交流的目的。
刺激到来时,“可释放库”能够即刻释放囊泡,“回收库”反应较慢,“储备库”基本不太会对正常的生理刺激产生反应。用囊泡上面表达的分子特征,能够更好的分类囊泡,研究其在参与自发或非自发突触活动中的功能。
囊泡释放后,细胞还需要将失去的囊泡回收回来,不同囊泡库的回收机制也是该领域研究的热点。