在大腦中，神經(jīng)元要精準(zhǔn)“配對(duì)”才能正確傳遞信息：就像插頭必須對(duì)準(zhǔn)插座。在果蠅的嗅覺系統(tǒng)里，幾十種氣味神經(jīng)元各自連接到專屬的“處理單元”（嗅小球），即使相鄰單元結(jié)構(gòu)相似、位置緊挨，也很少接錯(cuò)。科學(xué)家一直好奇：它們?nèi)绾伪苊狻安邋e(cuò)孔”？

基于此，2025年11月19日，斯坦福大學(xué)生物學(xué)系及霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所駱利群教授研究團(tuán)隊(duì)在《Nature》雜志發(fā)表了“Repulsions instruct synaptic partner matching in an olfactory circuit”揭示了嗅覺環(huán)路中，神經(jīng)元靠“排斥”來精準(zhǔn)配對(duì)。

作者結(jié)合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)篩選并鑒定出三對(duì)介導(dǎo)排斥作用的細(xì)胞表面蛋白（CSP）配對(duì)：Toll2–Ptp10D、Fili–Kek1 和 Hbs/Sns–Kirre。在果蠅嗅覺環(huán)路發(fā)育中，這些蛋白對(duì)在特定的嗅覺受體神經(jīng)元（ORN）和投射神經(jīng)元（PN）之間呈互補(bǔ)表達(dá)：一個(gè)在ORN中高表達(dá)，另一個(gè)則在其非匹配的PN中表達(dá)。它們通過相互排斥阻止錯(cuò)誤的ORN–PN連接。實(shí)驗(yàn)表明，無論是在ORN還是PN中敲除任一配對(duì)蛋白都會(huì)導(dǎo)致相似的接線錯(cuò)誤；而過表達(dá)某一蛋白引起的錯(cuò)誤靶向，可通過同時(shí)敲除其配對(duì)蛋白來挽救。這些細(xì)胞表面蛋白（CSPs）對(duì)也在其他腦區(qū)差異表達(dá)，提示該機(jī)制具有普適性。

圖一 三對(duì)CSP在VA1d和VA1v嗅小球中的反向表達(dá)

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

為此，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合蛹期（24–30 小時(shí)）的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，篩選出 36 個(gè)在 VA1d 與 VA1v 的ORN或PN中差異表達(dá)的 CSP 候選基因，并通過組織特異性 RNAi 進(jìn)行功能測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中 14 個(gè)基因敲低后會(huì)導(dǎo)致 ORN 軸突錯(cuò)誤投射到鄰近嗅小球。值得注意的是，單個(gè) CSP 缺失通常只引起輕微表型，需同時(shí)干擾多個(gè) CSP 才顯著破壞匹配特異性。

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進(jìn)一步分析聚焦于三對(duì)呈現(xiàn)“反向表達(dá)”的 CSP：Toll2–Ptp10D、Fili–Kek1 和 Hbs/Sns–Kirre。通過基因敲入標(biāo)記和蛋白檢測(cè)（蛹期 42–48 小時(shí)），證實(shí)這七種蛋白在觸角葉中確實(shí)差異分布且 mRNA 與蛋白表達(dá)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(shí)別。

綜上，這三對(duì) CSP 通過在正確配對(duì)的 ORN–PN 之間“錯(cuò)開表達(dá)”，很可能介導(dǎo)排斥性相互作用，從而阻止錯(cuò)誤連接。

圖二 Ptp10D/Toll2缺失引發(fā)ORN-PN錯(cuò)配

作者研究發(fā)現(xiàn)，Toll2 和 Ptp10D 作為一對(duì)反向表達(dá)的細(xì)胞表面蛋白，在果蠅 VA1d 與 VA1v 嗅覺環(huán)路的精準(zhǔn)配對(duì)中發(fā)揮關(guān)鍵排斥作用：Ptp10D 在 VA1d 嗅覺受體神經(jīng)元和 VA1v 投射神經(jīng)元中高表達(dá)，而 Toll2 則在 VA1v-ORN 和 VA1d-PN 中富集。

功能實(shí)驗(yàn)表明，Ptp10D 在 VA1d-ORN 中以細(xì)胞自主方式防止其軸突誤入 VA1v 嗦小球，而 Toll2 在 VA1v-PN 中發(fā)出排斥信號(hào)，阻止 VA1d-ORN 與其錯(cuò)誤連接；在 VA1d-PN 中敲低 Ptp10D 或在 VA1v-ORN 中敲低 Toll2，也會(huì)導(dǎo)致反向錯(cuò)配。

值得注意的是，Toll2 在 ORN 中不起作用且僅在高表達(dá)區(qū)域操縱才產(chǎn)生表型，說明其功能具有細(xì)胞類型和空間特異性。這些結(jié)果支持一個(gè)模型：Toll2 作為排斥信號(hào)“發(fā)送方”，Ptp10D 作為“接收方”，通過跨細(xì)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(duì)神經(jīng)元之間不發(fā)生錯(cuò)誤突觸形成。

圖三 排斥性的Fili–Kek1相互作用

作者發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ili 與 Kek1 是另一對(duì)介導(dǎo)排斥作用的細(xì)胞表面蛋白：Fili 在 VA1d/DC3 投射神經(jīng)元中高表達(dá)，Kek1 則在 VA1v 嗅覺受體神經(jīng)元中富集。

功能實(shí)驗(yàn)顯示，敲除 Fili（在 PN 中）或 Kek1（在 ORN 中）均導(dǎo)致 VA1v-ORN 軸突錯(cuò)誤侵入 VA1d 嗅小球。在 VA1d-ORN 中過表達(dá) Kek1 會(huì)使其軸突誤投至鄰近不表達(dá) Fili 的嗅小球（如 VA1v、DA1）；而這一錯(cuò)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(xì)胞過表達(dá)實(shí)驗(yàn)證實(shí) Kek1 以細(xì)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，F(xiàn)ili 在 PN 中發(fā)出排斥信號(hào)，Kek1 在 ORN 中接收該信號(hào)，二者協(xié)同阻止非配對(duì)神經(jīng)元之間的錯(cuò)誤連接。

圖四 排斥性的Hbs/Sns–Kirre相互作用以及三對(duì)CSP的組合表達(dá)

研究人員發(fā)現(xiàn)，果蠅大腦中有一套“分子身份證”系統(tǒng)幫助嗅覺神經(jīng)元精準(zhǔn)配對(duì)，避免接錯(cuò)線。除了之前找到的兩對(duì)“排斥搭檔”（Toll2–Ptp10D 和 Fili–Kek1），他們又確認(rèn)了第三對(duì)：Hbs/Sns 和 Kirre。簡(jiǎn)單來說，VA1d 投射神經(jīng)元（PN）表面掛著“Hbs/Sns 標(biāo)簽”，而 VA1v 嗅覺神經(jīng)元?jiǎng)t帶著“Kirre 接收器”。當(dāng)錯(cuò)誤的 ORN 靠近時(shí)，Kirre 會(huì)識(shí)別到不該出現(xiàn)的 Hbs/Sns 信號(hào)觸發(fā)排斥，從而阻止錯(cuò)誤連接。

進(jìn)一步分析發(fā)育期單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)，編碼這三類排斥信號(hào)（Toll2、Fili、Hbs/Sns）的基因在多種 PN 中以組合方式差異表達(dá)：大多數(shù) PN 高表達(dá)其中一種或兩種，極少同時(shí)表達(dá)全部三種。這種策略既能有效排斥非配對(duì) ORN，又為正確配對(duì)保留“兼容窗口”，從而以有限的分子工具高效實(shí)現(xiàn)果蠅觸角葉約50對(duì)嗅覺環(huán)路的精準(zhǔn)布線。

總結(jié)

該研究揭示果蠅通過三對(duì)排斥性細(xì)胞表面蛋白的組合表達(dá)，以“分子門禁”機(jī)制防止相鄰嗅覺神經(jīng)元錯(cuò)配，提出了一種高效、可擴(kuò)展的神經(jīng)環(huán)路精準(zhǔn)布線策略，不僅深化了對(duì)發(fā)育中排斥作用的理解，也為神經(jīng)發(fā)育疾病和類腦智能設(shè)計(jì)提供了新思路。

文章來源

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

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