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[背景]突触可塑性是学习记忆的生物学基础。轴突的正常发育和成熟所维系的轴-树突极化对功能性突触的形成和维持至关重要。褪黑素2(MT2)受体、糖原合酶激酶-3(Glycogen synthase kinase-3, GSK-3)和蛋白磷酸酯酶-2A(Protein phosphatase-2A, PP-2A)广泛分布于脑内,在神经系统发育和神经退行性病变中起重要作用。MT2受体属于G蛋白偶联受体(GPCR)超家族,负责将细胞外信号转至细胞内。MT2受体下调抑制成年海马神经干细胞的分化、长时程增强(Long term potentiation, LTP)和学习记忆能力；而激活MT2受体能够抑制海马区域γ-氨基丁酸能突触的传递。GSK-3和PP-2A属于下游信号转导枢纽,它们不但是脑内公认的调节tau蛋白磷酸化的主要蛋白激酶和蛋白磷酸酯酶,而且还参与神经元极性和突触可塑性的调节。据报道,GSK-3过度激活导致突触前神经递质释放减少进而引起LTP抑制和学习记忆障碍。本课题组前期研究结果显示,褪黑素(MT2受体的天然配体)可下调GSK-3和上调PP-2A的活性,从而改善AD样的tau蛋白过度磷酸化。然而,关于MT2受体与GSK-3和PP-2A的关系,以及三者对神经元轴突形成和突触可塑性的影响尚无报道。[目的]在离体和整体水平探讨MT2受体和GSK-3、PP-2A在神经元轴突形成及突触可塑性中的作用以及它们之间的联系;探讨GSK-3异常引起突触损伤的分子机制。[方法]在离体培养的原代海马神经元模型上,运用FM4-64释放实验研究突触前神经递质的释放及轴突功能；全细胞膜片钳检测钙内流及突触后微型兴奋性突触后电流(mEPSCs);全内反射荧光显微镜(TIRFM)用于观察囊泡的胞吐作用;免疫共沉淀和荧光共振能量转移(FRET)检测MT2与Akt及突触前囊泡释放相关蛋白之间的相互结合；免疫荧光检测轴突发育及相关蛋白在细胞内的分布情况；免疫印迹检测蛋白质的含量及磷酸化水平的改变。[结果](1)MT2受体对轴突形成及功能的影响及相关分子机制：激活MT2受体明显促进海马神经元功能性轴突的形成并增强突触传递,而抑制MT2受体则阻碍轴突分化,其机制如下：MT2受体通过Akt/GSK-3p/CRMP-2信号通路而不是aPKC信号通路发挥作用；MT2受体可与Akt直接结合从而抑制GSK-3活性：给予MT2受体C末端的多肽可以封闭MT2-Akt之间的结合,同时明显削弱了MT2受体激活所引起的GSK-3抑制、轴突形成和突触传递的增强效应；在整体水平上,MT2受体敲除通过下调PP2A活性引起tau蛋白过度磷酸化。(2)GSK-3β对突触前神经递质释放的影响及相关分子机制：激活GSK-3β可抑制突触前囊泡的胞吐,其机制如下：激活GSK-3β通过磷酸化P/Q型Ca2+通道上含synprint位点的LⅡ-Ⅲ来抑制Ca2+内流；激活GSK-3β可抑制LⅡ-Ⅲ与Ca2+感受器(synaptotagmin)、突触小体相关蛋白25(SNAP25)和syntaxin的结合,突触囊泡膜相关蛋白(synaptobrevin)与SNAP25和syntaxin的结合以及synaptobrevin与synaptophysin I的解离从而抑制Ca2+依赖的SNARE复合物的形成来阻止突触前囊泡的胞吐。(3)PP-2A对神经突起生长的影响：PP-2A是神经突起发育所必需的,上调PP-2A活性能够促进突起,尤其是轴突的生长。[结论]MT2受体激活通过抑制GSK-3来促进神经元轴突生长和功能性突触的形成,而在整体水平上,MT2受体敲除则通过下调PP-2A活性引起AD样tau蛋白过度磷酸化；激活GSK-3通过磷酸化P/Q型钙离子通道而抑制突触前递质释放,而上调PP-2A活性则对神经突起尤其是轴突的生长有明显促进作用。