《Molecules and Cells》：Roles of Synaptic Cell Adhesion Molecules in the Neuromodulatory Systems
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这篇综述聚焦于突触细胞黏附分子（CAMs）在多巴胺能（DA）和5-羟色胺能（5-HT）等神经调制系统中的功能。传统上，这些系统被认为主要通过非突触的体积传输（volume transmission）发挥作用，但新近证据表明它们也能形成特化的突触结构。本文通过整合单细胞转录组学分析和功能研究，系统梳理了在DA和5-HT神经元中表达的突触CAMs（如Neurexins、Neuroligins、Cadm2、CDH13等）的分子谱系，探讨了它们如何调控神经调制系统的发育、突触结构、递质释放（包括DA、GABA和谷氨酸的共释放）及其可塑性。文章揭示了突触CAMs是塑造神经调制系统信号传递异质性的关键分子，其功能失调与自闭症谱系障碍（ASD）、精神分裂症（SCZ）、帕金森病（PD）等多种神经精神与神经退行性疾病密切相关。深入理解这些机制，将为相关疾病的治疗提供新的靶点。
在探索大脑复杂通信网络的过程中，我们熟知兴奋性的谷氨酸能和抑制性的GABA能神经元通过大量特化的化学突触进行快速、精准的对话。然而，另一类至关重要的神经元——神经调制神经元，如多巴胺能（DA）和5-羟色胺能（5-HT）神经元——其工作方式曾被认为是不同的。它们发出长程轴突遍布全脑，传统观点认为它们形成相对较少的经典突触连接，其受体广泛分布于突触外膜，从而支持一种缓慢、弥散的非突触通信模式，即体积传输（volume transmission）。这种模式负责全局调节与认知、情绪、注意和行为相关的脑网络活动。
但越来越多的证据描绘了一幅更复杂的图景。神经调制轴突实际上能够形成具有超微结构定义的突触特化，其特征包括前突触囊泡池和后突触致密区。例如，约30-40%的纹状体DA轴突膨体能形成突触特化，并且大约30%的膨体可以通过由RIM、Munc13、Liprin、ELKS和Bassoon等组成的、类似于活性区的分子机器释放多巴胺。这些发现突显了突触样分子机制在塑造神经调制系统内异质性传输模式中的关键作用。
那么，是谁在组织并调控这些突触结构呢？一个核心角色是突触细胞黏附分子（CAMs）。这些横跨突触的黏附分子，通过物理连接前、后突触，对突触的发育、维持、功能和可塑性至关重要。在经典的谷氨酸能和GABA能突触中，特定CAMs的调控作用已被广泛研究。然而，它们在DA、5-HT等调制系统中的角色，直到近年才开始受到关注。
调制神经元中突触CAMs的表达谱
为了解答“哪些突触CAMs存在于调制神经元中”这一基本问题，研究者对已发表的小鼠DA和5-HT神经元单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据集进行了分析。分析聚焦于那些编码已知在前突触发挥作用的CAMs的基因，特别是那些与后突触配体发生异亲性相互作用的分子。
分析结果显示，DA和5-HT神经元表达一系列多样化的异亲性和同亲性突触CAMs，其表达模式大体相似。其中，Neurexins（Nrxns）家族的所有三个基因（Nrxn1， 2， 3）均有表达，其中Nrxn1和Nrxn3是成年神经元中的主要亚型。其他显著表达的CAMs包括Cadm2（编码SynCAM2）、Cdh13（Cadherin-13）、Alcam、Chl1、Cntn1和Ncam1等。值得注意的是，蛋白质组学研究在DA末梢中也检测到了Cadm2/SynCAM2蛋白，而Cadm2基因突变已被证实与物质使用障碍相关，这为研究其在DA环路中的功能提供了 compelling 的理由。
Neurexins在DA和5-HT系统中的作用
Neurexins（Nrxns）是研究最为深入的前突触CAMs之一，它们通过与其后突触配体（如Neuroligins）发生横跨突触的结合，对突触功能至关重要。Nrxn基因通过复杂的可变剪接，可产生数千种变体，具有不同的结合特异性和功能特性。
尽管在多种动物模型中的大量工作已确立Nrxns对快速突触传递、可塑性及认知行为的关键作用，但它们在调制系统中的功能近期才被探索。在5-HT系统中，条件性敲除5-HT神经元中的所有三个Nrxn基因，会降低5-HT纤维密度、细胞密度和活性区蛋白含量，减少5-HT释放，并导致社会认知行为缺陷。类似地，在DA系统中的研究发现，DA神经元特异性三重Nrxn敲除会降低苯丙胺诱导的运动活性和DA释放，同时增加GABA的共释放，但不影响基础运动行为或前突触超微结构。这些发现表明，Nrxns对神经调制传输至关重要，但对调制末梢的整体结构组织并非必需，这与在快速突触中的观察一致。未来的重要方向是剖析不同Nrxn基因（特别是占主导的Nrxn1和Nrxn3）在调制系统中的特异性贡献。
其他前突触CAMs在调制突触形成和功能中的作用
目前，只有少数突触CAMs在调制系统中的功能得到了表征。其中一个突出的是Cadherin-13（CDH13， 也称T-cadherin）。这是一种非经典钙黏蛋白，通过糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定在细胞膜上。研究发现CDH13在背缝核（DRN）5-HT神经元中高表达，其蛋白可在5-HT投射中被检测到。条件性敲除5-HT神经元中的CDH13，会导致从胚胎发育到成年期5-HT神经元密度增加，并伴随前额叶皮层中5-HT神经支配增强。尽管有这些显著的解剖学变化，其行为后果相对温和，包括轻微的学习记忆任务损伤和细微的冲动样表型。鉴于CDH13在细胞迁移和轴突路径寻找中的既定作用，一个未解决的重要问题是其缺失主要影响5-HT系统内哪些特定的发育或环路水平过程。有趣的是，CDH13在DA神经元中也高表达，这提示它可能在调制系统间发挥保守或上下文依赖的功能。
另外，Alcam和Chl1在发育过程中的DA神经元中表达，是正常DA轴突生长所必需的。然而，它们在塑造DA环路结构和突触功能中的作用仍有待探索。转录组分析还强调了其他在DA和5-HT神经元中表达的候选CAMs，如Cntn1和Ncam1。这些发现突出表明，需要系统性地研究前突触CAMs，以阐明调制系统发育和功能背后的分子机制。
后突触CAMs在神经调制突触中的作用
目前，Neuroligins（Nlgns）是神经调制突触功能中研究最深入的后突触CAMs。Nlgn家族是一个后突触单次跨膜蛋白。在啮齿类动物大脑中，Nlgn亚型在蛋白质水平上表现出突触类型特异性表达。值得注意的是，Nlgn1和Nlgn2分别以互斥的方式在兴奋性和抑制性突触中表达。
在神经调制系统中，Nlgn2已被免疫组化检测到纹状体或皮层区域中具有GABA能突触样对称膜特化的DA突触。重要的是，Nrxns在DA末梢表达，这强烈提示了在DA突触处前突触Nrxns与后突触Nlgn2之间存在横跨突触的相互作用。然而，DA末梢上存在的是α-还是β-Nrxn亚型，仍有待确定。
功能研究揭示了Nlgn2在体外和体内DA突触中的作用。跨细胞蛋白质-蛋白质相互作用实验证明，Nlgn2足以诱导DA轴突中的前突触释放机器组装。尽管组成性Nlgn2敲除小鼠的纹状体DA突触密度或大小没有变化（可能由于代偿机制），但在纹状体中局部敲低Nlgn2能显著降低DA突触密度。此外，纹状体Nlgn2敲低会显著损害急性脑片中由光遗传学激发的、来自中脑DA轴突的DA释放。这些发现共同支持了Nlgn2在DA突触处DA释放中的关键作用。
有趣的是，DA轴突可以在纹状体内以脑区依赖的方式共释放谷氨酸和GABA。短期（6周）纹状体Nlgn2敲低选择性地增强了DA轴突的GABA共释放，而未显著影响谷氨酸共释放；而长期（12周）Nlgn2敲低则抑制了GABA和谷氨酸两者的共释放。这些发现表明，Nlgn2以神经递质依赖的方式差异性地调控DA、谷氨酸和GABA的共释放，突显了后突触CAMs在塑造神经调制传输中一个此前未被重视的作用。
展望与意义
总结而言，单细胞转录组分析与近期功能研究共同揭示，突触CAMs是DA和5-HT系统中重要的组成成分。尽管有数十种突触CAMs在这些神经元中表达，但仅有少数在调制环路中得到了功能验证。这一巨大的知识缺口突显了进行系统研究的必要性，以阐明突触CAM介导的、调控神经调制系统发育、突触组织和递质释放的机制。
神经调制突触可能是突触CAMs在神经调制系统中发挥作用的主要靶点。有证据表明，前突触Nrxns与后突触Nlgns在DA突触处的横跨突触相互作用，可以通过对这些突触的结构和功能控制来调节DA的突触传输模式。一个吸引人的假说是，CAM介导的横跨突触相互作用在DA突触处招募并组织类似于活性区的释放机器。鉴于不同的神经调制神经元共享许多前突触CAM基因的表达，这一假说可能代表了控制神经调制释放的一个普遍原理。
另一方面，与经典的谷氨酸能和GABA能神经元相比，神经调制神经元形成的经典突触特化更少。这种结构差异提示了另一个模型：前突触CAMs可能通过与细胞内蛋白质（如Nrxn-CASK/Mints/Velis复合体）的相互作用，普遍位于突触和非突触末梢。这种分子配置可能允许神经调质不仅从突触末梢释放，也从非突触末梢释放，正如体积传输概念所提出的。
验证这些有趣的假说需要先进的成像技术，能够以高空间精度沿神经调制轴突绘制内源性突触分子（包括CAMs）的分布图。乙二醛固定剂的使用、内源性蛋白质荧光标记、单细胞内源性蛋白质标记等技术，将有助于在常规荧光显微镜下高分辨率地可视化内源性突触分子。这些方法共同助力，将使我们更好地理解支撑神经调制系统异质性神经传递模式的、由突触CAM介导的分子-解剖学框架。
DA和5-HT系统的功能障碍与自闭症谱系障碍（ASD）、精神分裂症（SCZ）、注意缺陷/多动障碍（ADHD）、帕金森病（PD）和阿尔茨海默病等多种疾病的病因学相关。值得注意的是，单细胞测序分析确定的许多突触CAM基因，如Cadm1/2、Cdh13、Nrxns、Nlgn2、Ncam1等，都与这些神经系统疾病相关联。这些CAMs在胚胎期和出生后早期高表达，突出了它们在突触连接早期发育和成熟中的潜在作用。确定这些基因在神经调制环路中的发育轨迹至关重要，尤其重要的是确定它们的表达扰动如何导致神经发育障碍特有的认知和行为表型。总之，这些观察结果突显了DA和5-HT系统中突触CAM介导的机制对神经精神和神经退行性疾病有重要贡献的潜力。因此，严格表征突触CAM在神经调制环路内的功能，是理解疾病机制和开发调节神经调制信号靶向治疗策略的关键前沿。
