發(fā)育中的大腦通過學(xué)習(xí)、經(jīng)驗及記憶形成驅(qū)動的神經(jīng)可塑性發(fā)生變化。軸突起始段（AIS）是位于軸突近端的特化膜結(jié)構(gòu)域，負(fù)責(zé)動作電位的啟動。研究表明，AIS通過改變其長度和/或定位來反映神經(jīng)刺激，從而調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性，表現(xiàn)出可塑性特征。然而，AIS可塑性如何影響大腦功能尚不明確。480 kDa巨型錨蛋白G（gAnkG）是AIS與郎飛結(jié)的主要組織者。作者先前研究發(fā)現(xiàn)，gAnkG神經(jīng)元特異性結(jié)構(gòu)域中一個與神經(jīng)發(fā)育障礙相關(guān)的變異（Thr1861Met）會導(dǎo)致錨蛋白G缺失的體外培養(yǎng)神經(jīng)元形成彌散型AIS。

2025年11月24日，西安交通大學(xué)楊睿獨(dú)立通訊在PNAS（IF=9.4）在線發(fā)表題為“Impaired AIS plasticity in ankyrin-G mutant mice alters cortical excitability and behavior”的研究論文。該研究通過構(gòu)建攜帶該突變點(diǎn)的基因敲入小鼠，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出運(yùn)動協(xié)調(diào)與社會互動能力缺陷。這些敲入小鼠的神經(jīng)元形成了延長的AIS，但關(guān)鍵AIS組分（包括錨蛋白G、β4-血影蛋白、電壓門控鈉通道及神經(jīng)束蛋白）的聚集未見顯著減少。

重要的是，與野生型AIS在高鉀或化學(xué)遺傳學(xué)（設(shè)計藥物專一激活受體）刺激下發(fā)生縮短不同，突變神經(jīng)元中的延長AIS未能出現(xiàn)此類縮短現(xiàn)象，表明其AIS可塑性存在缺陷。在發(fā)育早期，敲入小鼠初級運(yùn)動皮層和前扣帶皮層神經(jīng)元的AIS長度正常，但未能出現(xiàn)野生型神經(jīng)元中觀察到的發(fā)育性縮短過程；至出生后第60天，這些腦區(qū)最終形成延長的AIS并伴隨神經(jīng)元興奮性增高。由此可見，gAnkG蛋白突變通過損害活動依賴性AIS可塑性，導(dǎo)致神經(jīng)元興奮性異常及行為學(xué)缺陷。

神經(jīng)元的信息處理依賴于軸突起始段（AIS）。該結(jié)構(gòu)是緊鄰胞體、長度約20至60微米的特化膜結(jié)構(gòu)域，也是離子通道高度富集且動作電位（AP）起始產(chǎn)生的部位。AIS負(fù)責(zé)整合來自胞體與樹突的信息，并向下一級神經(jīng)元及其他效應(yīng)細(xì)胞發(fā)起神經(jīng)沖動。在某些類型的興奮性神經(jīng)元中，γ-氨基丁酸（GABA）能突觸亦靶向AIS，使其成為微環(huán)路中抑制性信號整合的核心樞紐。AIS結(jié)構(gòu)異常與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)，包括自閉癥、Angelman綜合征、X染色體相關(guān)裂腦綜合征、癲癇及雙相情感障礙。

AIS具有顯著的可塑性，能夠根據(jù)刺激動態(tài)調(diào)整其長度及與胞體的間距——這一特性被認(rèn)為是維持神經(jīng)元興奮性穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵機(jī)制。這種活動依賴性重構(gòu)已通過多種實驗范式得以驗證。在體外研究中，可通過以下方式調(diào)節(jié)突觸輸入以誘導(dǎo)AIS重構(gòu)：氯化鉀誘導(dǎo)去極化、應(yīng)用6,7-二硝基喹喔啉-2,3-二酮與河豚毒素、激活N-甲基-D-天冬氨酸受體、阻斷M型鉀離子通道、電刺激或磁刺激、光遺傳學(xué)調(diào)控以及藥物干預(yù)枝形吊燈細(xì)胞的軸-軸突觸。在體研究則通過感官剝奪范式驗證該重構(gòu)現(xiàn)象，包括耳蝸切除、嗅覺剝奪、觸須-桶狀皮層通路剝奪、視覺剝奪、聽覺輸入改變及脊髓背角炎癥模型。在病理層面，來自肌萎縮側(cè)索硬化癥或阿爾茨海默病患者的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）分化神經(jīng)元重現(xiàn)了AIS長度改變及繼發(fā)的神經(jīng)元興奮性變化，為AIS可塑性提供了進(jìn)一步支持。這些一致性結(jié)果凸顯了AIS在穩(wěn)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能及優(yōu)化突觸輸出中的核心作用。然而，AIS可塑性究竟存在于正常腦功能中，還是僅出現(xiàn)于神經(jīng)元活動顯著擾動或病理狀態(tài)下，目前尚不明確。

模式機(jī)理圖（圖片源自PNAS）

AIS中存在一個由特定膜蛋白、相關(guān)適配蛋白及細(xì)胞骨架組分構(gòu)成的特化蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)的核心是480 kDa的巨型錨蛋白G（gAnkG），其為ANK3基因通過可變剪接轉(zhuǎn)錄本編碼的最長亞型。gAnkG通過其神經(jīng)元特異性結(jié)構(gòu)域（NSD）調(diào)控AIS組裝，該結(jié)構(gòu)域是由7.8 kb的第37號外顯子編碼的脊椎動物特有序列。NSD在斑馬魚至人類中的進(jìn)化保守性提示其功能重要性。生物信息學(xué)預(yù)測顯示該區(qū)域具有內(nèi)在無序特性，使其能夠與多種大分子發(fā)生動態(tài)交互作用，從而實現(xiàn)蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的上下文依賴性調(diào)控。盡管具備這些結(jié)構(gòu)特征，gAnkG在AIS結(jié)構(gòu)可塑性及功能適應(yīng)性中的具體作用仍不清楚。

作者此前報道了兩例攜帶gAnkG的NSD結(jié)構(gòu)域復(fù)合雜合變異的兒科病例：病例一為男性患兒，攜帶Thr1861Met與Pro2490Leu變異，表現(xiàn)為特定性語言障礙合并輕度自閉譜系特質(zhì)；病例二為女性患兒，攜帶Thr1861Met與Lys2864Asn變異，臨床表現(xiàn)為共濟(jì)失調(diào)、智力障礙、癲癇發(fā)作及自閉譜系障礙。功能分析顯示，這些NSD變異在錨蛋白G敲除的海馬神經(jīng)元培養(yǎng)體系中引發(fā)兩類關(guān)鍵異常：1）AIS區(qū)域錨蛋白G總量降低且其分布范圍拓寬；2）AIS中β4-血影蛋白的聚集顯著減少。

本研究通過CRISPR-Cas9基因組編輯技術(shù)構(gòu)建了gAnkG基因（小鼠直系同源位點(diǎn)為Thr1935Met）的純合Thr1861Met敲入小鼠（Ank3T1935M/M）。相較于作者前期使用的錨蛋白G敲除神經(jīng)元，此模型特異性靶向gAnkG亞型，能更精準(zhǔn)地模擬人類臨床病例。ANK3T1935M/M小鼠初級運(yùn)動皮層（M1）和前扣帶皮層（ACC）神經(jīng)元在出生后早期（PND 28）呈現(xiàn)正常的AIS結(jié)構(gòu)，但未能出現(xiàn)野生型神經(jīng)元中觀察到的發(fā)育性縮短現(xiàn)象；至出生后第60天，這些腦區(qū)表現(xiàn)為AIS延長及神經(jīng)元興奮性增高。AIS中β4-血影蛋白的聚集未見顯著減少。這些結(jié)構(gòu)異常與小鼠社交互動和運(yùn)動協(xié)調(diào)行為缺陷相關(guān)。通過使用Gq耦聯(lián)的設(shè)計藥物獨(dú)家激活受體（DREADD）hM3Dq刺激神經(jīng)元，發(fā)現(xiàn)ANK3T1935M/M小鼠的AIS可塑性受損。這種AIS可塑性缺陷可能是發(fā)育性AIS重構(gòu)障礙的內(nèi)在機(jī)制。綜上所述，本研究證實gAnkG在調(diào)控AIS可塑性中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并為AIS可塑性完整性與正常腦功能及行為表型發(fā)育間的關(guān)聯(lián)提供了直接證據(jù)。

https://doi.org/10.1073/pnas.2513363122