Synaptic System--VGLUT作为谷氨酸能神经元标记物的研究进展

谷氨酸是哺乳动物中枢神经系统的主要兴奋性神经递质，在学习、认知和记忆等基本过程中发挥着关键作用。谷氨酸转运蛋白可分为两大类：兴奋性氨基酸转运蛋白（EAATs）和囊泡谷氨酸转运蛋白（VGLUTs）。在大脑中，EAATs通过将谷氨酸重新摄取到胶质细胞和神经元中，从突触间隙和细胞外区域清除谷氨酸，而VGLUTs则负责将谷氨酸从神经细胞的细胞质装载到突触小泡中。

VGLUT家族包含3个成员，分别是VGLUT1（也称为BNPI）、VGLUT2（也称为DNIP）和VGLUT3（见表1）。所有谷氨酸转运蛋白（EAATs和VGLUTs）均为多跨膜蛋白，具有多达12个跨膜结构域。

谷氨酸通过VGLUTs转运到突触小泡中依赖于由V型H+-ATP酶建立的质子梯度。质子流入小泡会导致腔内pH值下降和膜电位变化，从而驱动谷氨酸的转运。谷氨酸与单价阳离子（首选K+，但也可以是H+等）一起被泵入小泡，而氯离子则与H+一起从小泡中运出（见图1）。

图1：谷氨酸进入突触小泡的过程

谷氨酸进入突触小泡的过程受神经元内谷氨酸的可用性、H+离子梯度和腔内氯离子浓度的调节（见图2）。

 图2：谷氨酸能神经元突触间隙中的囊泡循环

该图展示了突触间隙中谷氨酸进入突触小泡的潜在调节机制。步骤1：在适当刺激后，谷氨酸通过胞吐作用释放到突触间隙中，同时释放的H+导致pH值升高，进而使VGLUTs发生变构失活。步骤2：小泡内吞后，高浓度的细胞外氯离子（Cl-）被困在小泡内。V-ATP酶开始将H+（**+**）泵入小泡，降低pH值，从而重新激活VGLUTs。它们开始将谷氨酸转运到小泡中，同时将氯离子从小泡中运出。步骤3：随着越来越多的谷氨酸和H+被纳入小泡，腔内pH值不断下降。步骤4：小泡内充满了谷氨酸，且几乎失去了所有氯离子。这种腔内氯离子的缺失被认为通过影响传导性来消除VGLUTs的变构激活，从而防止小泡被“过度填充”谷氨酸。否则，这种“过度填充”将导致能量浪费的泄漏。

中枢神经系统中VGLUT的分布

VGLUT2、VGLUT3以及更为丰富的VGLUT1在中枢神经系统中表达于不同的互补神经元亚群中。这种差异性表达模式在大鼠大脑的mRNA水平上已经显现。

 图3：大鼠大脑中VGLUT1-3 mRNA的分布

VGLUT1和VGLUT2均可在相同的大脑区域中找到，但VGLUT1在皮质区域更为普遍，而VGLUT2在皮质下区域更为常见，这也可以从图4中看出。VGLUT1和VGLUT2是大脑中主要的VGLUT亚型，它们表达于两种功能不同的谷氨酸能突触亚群中，这些突触在神经递质释放概率和突触可塑性方面存在差异以及图5。此外，VGLUT1和VGLUT2与其他主要神经递质（如5-羟色胺（5-HT）、GABA、多巴胺（DA）或乙酰胆碱（ACh））均不共定位。相比之下，VGLUT3作为非典型亚型，表达量较VGLUT1和VGLUT2稀少，并且常常与使用其他“经典”神经递质（如5-羟色胺、乙酰胆碱或GABA）的神经元共表达。实际上，在某些神经元群体中，例如纹状体胆碱能中间神经元，VGLUT3在胞体-树突区域大量存在。

 图4：小鼠大脑中VGLUT1和VGLUT2的定位

直接免疫染色固定的小鼠脑切片，使用Sulfo-Cyanine 5偶联的小鼠抗VGLUT1（135 011C5，绿色）和Sulfo-Cyanine 3偶联的小鼠抗VGLUT2（135 421C3，红色）。细胞核通过DAPI染色（蓝色）可视化。

 图5：小鼠大脑中VGLUT1-3的三重免疫染色，展示VGLUTs的差异性表达固定的小鼠脑切片的间接免疫染色，使用小鼠单克隆抗VGLUT1（135 011，绿色）、重组豚鼠单克隆抗VGLUT2（135 418，红色）和重组兔单克隆抗VGLUT3（135 208，蓝色）。

VGLUT作为谷氨酸能神经元标记物的应用 

与单胺类（VMAT1和VMAT2）和乙酰胆碱（VAChT）的囊泡转运蛋白不同，这些转运蛋白在细胞体和神经末梢均有分布，而VGLUT1和VGLUT2蛋白仅限于神经末梢，在那里它们在质膜、内质网和新形成的突触小泡之间持续循环（见图6）。

 图6：VGLUT1和VGLUT2的突触前定位

固定的大鼠海马神经元的间接免疫染色，A）使用重组兔单克隆抗VGLUT1（135 308，红色）和小鼠单克隆抗MAP2（188 011，绿色）；B）使用重组豚鼠单克隆抗VGLUT2（135 418，红色）和兔多克隆抗MAP2（188 002，绿色）。

最后，VGLUT1和VGLUT2可以被视为经典谷氨酸能神经元的有价值且高度特异性的标记物，但存在固有限制，即细胞体不会被共染色，这使得突触染色模式的细胞归属难以确定。由于VGLUT3与使用其他神经递质的神经元共表达，因此它不太适合作为谷氨酸能神经元的标记物。