《Scientific Reports》：GluN2A-mediated currents and calcium signal in human iPSC-derived neurons
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本研究旨在探究人类诱导多能干细胞（iPSC）源性神经元成熟过程中NMDA受体（NMDAR）亚基组成与功能的动态变化。研究人员采用两种分化方法，发现神经元成熟时NMDARs在突触的定位增加，且GluN2A亚基对诱导内向电流和钙内流至关重要。结果为理解大脑发育中谷氨酸受体亚基的成熟提供了新见解，并有助于研究健康与疾病状态下的NMDAR活性。
在我们的大脑发育过程中，神经元会经历一系列精妙的“装修”和“升级”，以优化其通讯和处理信息的能力。其中，NMDA受体（N-methyl-D-aspartate receptor, NMDAR）扮演着至关重要的角色，它好比是神经信号传递中的“高级门卫”，控制着钙离子等关键信号的进入，从而影响学习、记忆乃至整个神经环路的形成。分子生物学证据提示，在发育过程中，神经元会动态调整NMDAR的“零件”（即亚基）组成，通常表现为减少GluN2B亚基、增加GluN2A亚基，这被认为是神经元走向成熟的一个标志。然而，这个在啮齿类动物或人类组织样本中被观察到的现象，是否能在实验室里通过人类诱导多能干细胞（induced Pluripotent Stem Cells, iPSCs）培育出的神经元中复现和深入研究，一直缺乏确凿的实验证据。发表在《Scientific Reports》上的这项研究，正是为了解决这一关键问题，利用iPSC技术作为人类大脑发育的“体外模型”，系统揭示了神经元成熟过程中GluN2A亚基如何逐步成为NMDAR功能的核心，并阐明了其背后的生理意义。
为开展研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，他们利用人类iPSCs作为起始细胞来源，通过两种不同的分化培养方案（BrainPhys Neuronal Medium, BPM 和 Neural Maintenance Medium, NMM）并行诱导产生神经元，以比较不同成熟度状态。其次，使用全细胞膜片钳技术记录神经元的电生理活动，特别是NMDAR介导的内向电流。再者，通过钙离子成像技术，检测神经元在特定激动剂刺激下的钙信号响应。此外，研究还进行了RNA测序分析，以从转录组层面解析与钙信号和神经元成熟相关的基因表达变化。
研究结果如下：
研究人员首先观察到，与在NMM条件下培养的神经元相比，在BPM条件下培养的神经元表现出更成熟的形态和更高的突触蛋白标志物表达，表明其成熟度更高。电生理记录显示，在分化第60天，两种条件下的神经元均能记录到NMDAR介导的内向电流，但使用特异性拮抗剂阻断GluN2A亚基后，电流显著减弱，这直接证明了GluN2A亚基对于成熟阶段NMDAR生理功能的重要性。在钙信号方面，研究团队检测了神经元对多种激动剂的钙响应。他们发现，尤其是在BPM条件下培养的更成熟神经元，对NMDAR特异性激动剂NMDA的钙响应显著增强。这种增强的钙信号与神经元更成熟的表型相符。为进一步探究其分子机制，研究者进行了RNA测序分析。结果表明，在BPM条件下培养的神经元中，一系列与细胞内钙信号传导相关的蛋白质编码基因表达上调。这从基因表达层面解释了为何这些神经元能产生更强的钙信号响应。综合这些数据，研究证实了在人类iPSC源性神经元的体外成熟过程中，确实发生了NMDAR亚基组成的转变，表现为GluN2A亚基在功能上的重要性日益凸显。同时，这种转变伴随着NMDAR在突触区域的定位增加，以及整个细胞内钙信号处理能力的增强。
归纳研究结论和讨论部分，本研究的核心发现是：利用人类iPSC模型，成功验证了大脑发育中NMDAR亚基从GluN2B向GluN2A转变这一关键成熟事件。具体而言，在分化后期，GluN2A亚基成为介导NMDAR电流和钙离子内流的主要功能亚基。BPM培养条件能更好地促进神经元获得成熟的表型和更强的钙信号传导能力，这部分归因于相关钙信号通路基因的上调。这项研究的重要意义在于，它首次在功能性层面，于可控制的人类细胞模型中清晰描绘了NMDAR亚基成熟的动态过程。这不仅仅证实了一个长期存在的理论假设，更重要的是，它为后续研究提供了一个强大的平台。科学家们现在可以更方便地利用iPSC源性神经元，来探究在各种神经发育障碍或神经退行性疾病（如自闭症、精神分裂症、阿尔茨海默病等，这些疾病常伴随NMDAR功能失调）中，这一成熟过程是如何出现偏差的。通过比较健康与疾病状态下的“成熟轨迹”，有望揭示新的病理机制和药物干预靶点，从而推动相关疾病治疗策略的发展。
