《Current Biology》：Experience-dependent reconfiguration of thermoreceptors regulates neuronal response plasticity
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本研究揭示了温度经验通过协调转录与转录后机制调控AFD温度感受神经元中热受体GCY-18与GCY-23的丰度比例，从而调节神经元反应阈值（T*AFD）的分子机制。研究人员发现温度升高诱导PYT-1依赖的GCY-23内吞和逆行运输，同时上调GCY-18表达，最终优化机体对温度刺激的行为适应。这项研究为理解单个神经元类型中多层级调控机制如何协同工作以实现精确的感觉适应提供了新范式。
生命体需要不断适应变化的环境，其中神经系统通过调整自身特性来应对经验依赖的刺激变化，这一过程被称为神经元可塑性。对于初级感觉神经元而言，它们不仅能够通过快速的翻译后机制（如感觉分子的受控运输）来调整其敏感性，还能在更长的时间尺度上通过改变转录谱来适应持续的感觉刺激。然而，单个感觉神经元如何协调多样的转录和转录后途径，以精确调整其功能并驱动行为可塑性，仍然是一个悬而未决的问题。以秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）的AFD温度感受神经元为模型，研究人员深入探索了温度经验如何调控热受体表达和运输，进而影响神经元反应和行为适应。这项研究发表在《Current Biology》上，为理解感觉适应的细胞机制提供了重要见解。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术构建内源性荧光蛋白标记的线虫株系（如GCY-18::GFP、GCY-23::GFP和PYT-1::GFP），以实时观察蛋白的定位和动态变化；通过钙成像技术（使用GCaMP6s）记录AFD神经元在温度刺激下的钙信号，并计算其反应阈值（T*AFD）；采用高分辨率共聚焦显微镜（如Zeiss LSM 880/980 AiryScan）进行细胞成像，分析蛋白在感觉末梢的分布和共定位；利用活细胞成像和kymograph分析追踪GCY-18和GCY-23在神经元树突中的运输动力学；通过行为学实验分析线虫在温度梯度上的趋温行为（thermotaxis）。所有实验均使用成年雌雄同体线虫作为研究对象。
PYT-1介导温度升高后AFD感觉区室内热受体的内吞体定位
研究人员发现，当线虫从15°C转移到25°C培养4小时后，AFD神经元中内源性标记的GCY-18::GFP在感觉末梢的分布模式没有明显改变。与之相反，GCY-23::GFP除了仍然存在于微绒毛膜上，在一部分动物中会重新分布到感觉末梢的中心区域。这种GCY-23在感觉区室中心的富集模式，与PY模体跨膜蛋白1（PY motif transmembrane 1, PYT-1）在温度升高后的定位模式相似。进一步的实验证实，PYT-1::GFP与早期内吞体标记物TagRFP::RAB-5在温度升高后发生共定位，表明PYT-1存在于内吞体中。同时，一部分GCY-23::GFP也与TagRFP::RAB-5在感觉末梢中心共定位，提示PYT-1可能将GCY-23招募到内吞体。在pyt-1突变体中，温度升高引起的GCY-23向感觉末梢中心的重新定位现象减少，而GCY-18的分布则不受影响。通过量化排除RAB-5标记区域后的GCY-23::GFP荧光强度，研究人员发现温度升高以PYT-1依赖的方式降低了AFD微绒毛中GCY-23的丰度。与此相反，GCY-18在感觉末梢的丰度在温度升高后增加，且不依赖于PYT-1。这些结果表明，温度升高后，PYT-1通过促进GCY-23选择性定位于内吞体，从而降低了该受体在微绒毛中的功能水平，而不影响GCY-18的丰度和分布。
GCY-23和GCY-18的运输受温度和PYT-1差异调控
感觉信号蛋白通常在胞体合成，并通过树突顺向运输至感觉神经元的末梢。反之，从感觉区室移除的蛋白则通过内吞作用被靶向降解或回收。为了探究GCY-23和GCY-18的树突运输是否受温度调控，研究人员观察了它们在AFD远端树突中的运动。结果发现，在15°C时，移动的GFP阳性颗粒很少；但在转移到25°C 4小时后，移动的GCY-23和GCY-18颗粒数量显著增加。移动的GCY-23::GFP阳性颗粒主要从AFD感觉末梢向胞体进行逆行运输，而GCY-18::GFP阳性颗粒则显示出向感觉末梢顺向运输的偏向。在pyt-1突变体中，移动的GCY-23::GFP颗粒数量及其净逆行通量均减少，而GCY-18::GFP颗粒的数量和净顺向运输则未发生改变。为了验证内吞作用是否参与PYT-1依赖的GCY-23运输，研究人员在AFD神经元中过表达了显性负性RAB-5等位基因以抑制内吞作用，结果显示这显著降低了GCY-23::GFP的逆行通量，与pyt-1突变体的表型相似。这些结果表明，温度升高后，PYT-1通过内吞途径特异性调控GCY-23的逆行运输，而不影响GCY-18的运输。
PYT-1的PY模体是调控GCY-23运输所必需的
PY模体适配蛋白通过其PY模体招募含WW结构域的E3泛素连接酶，从而泛素化靶蛋白。研究人员在PYT-1的预测胞内C端结构域中发现了两个典型（LPSY和PPEY）和一个非典型（VPYY）的PY模体。为了验证这些PY模体是否对PYT-1的定位和功能是必需的，研究人员构建了所有三个PY模体均发生突变的pyt-1(3XPY)品系。结果显示，GFP标记的PYT-1(3XPY)蛋白不再富集于内吞体，而是上调并遍布整个AFD感觉末梢。此外，PY模体突变也显著降低了温度升高后GCY-23在AFD树突中的净逆行通量，表型与pyt-1缺失突变体相似。在神经元功能上，pyt-1(3XPY)突变体在温度升高后表现出与缺失突变体类似的T*AFD可塑性缺陷，但在趋温行为上却未出现异常。这些观察表明，PYT-1的PY模体对于调控温度依赖性GCY-23从AFD感觉末梢的清除是必需的。
PYT-1介导的GCY-23运输调控是温度经验依赖性T*AFD可塑性所必需的
研究人员进一步探讨了PYT-1依赖性GCY-23运输的功能意义。根据提出的模型，pyt-1突变体由于未能降低功能性冷反应GCY-23的水平，导致GCY-18:GCY-23比率降低，从而在温度升高后表现出较低的T*AFD。该模型预测，缺失gcy-23或gcy-18将分别抑制或增强pyt-1突变体的T*AFD可塑性缺陷。实验结果支持了这一预测：在仅表达GCY-18（即gcy-23 gcy-8双突变）的遗传背景下，T*AFD可塑性在温度升高后与野生型相似，并且引入pyt-1缺失突变并未导致T*AFD降低。相反，在仅表达GCY-23（即gcy-8 gcy-18双突变）的遗传背景下，温度升高后的T*AFD显著低于野生型，并且这种缺陷在额外缺失pyt-1后进一步增强。这些遗传学交互实验证实，PYT-1通过特异性调控GCY-23的水平来调节T*AFD可塑性。
本研究描述了一种通过活动依赖性转录和转录后途径协同调控感觉末梢功能性热感受体水平的机制，从而微调神经元反应。温度升高会上调温暖反应型GCY-18热受体的表达并促进其顺向运输，同时转录上调PY模体适配蛋白PYT-1，后者定位于AFD感觉区室的内吞体，并招募寒冷反应型GCY-23热受体至内吞体进行内吞和逆行运输。这些协同作用导致感觉末梢GCY-18:GCY-23比率增加，从而将T*AFD推向更温暖的数值。该研究揭示了单个感觉神经元类型中，转录和转录后机制在多个时间尺度上被精确协调，以优化其对环境刺激的反应，为理解神经元可塑性的基本规律提供了新的框架。这种通过适配蛋白精确调控受体可用性的机制，可能与更广泛的生物学过程中细胞特性的微调有关。
