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华东师大科学家发表“背靠背”两篇论文，捕获神经活动和学习记忆机理

大学作者：华东师范大学 2021-08-10 13:50:07

美国生物化学与分子生物学会会刊、

自然指数收录期刊

Journal of Biological Chemistry（JBC）

上周在线发表了

华东师大生命科学学院

脑功能基因组学教育部重点实验室

殷东敏课题组

关于“钙调蛋白乙酰化的

功能和调控机制”的

两篇“背靠背”(side by side)研究论文

▲殷东敏研究员、博士生韩威（右）、硕士生杜银权（左）

两篇文章发表在同一期杂志上，既表明两项成果的相关性和独立性，也证明研究方向的重要程度和创新意义。

据介绍，这两项研究成果已被JBC 主编重点推荐（Editors' Picks），杂志将在线配发专门的评论文章。上述研究成果也将在美国生物化学和分子生物学会的官方网站以新闻形式发布（Press Release）。

小信号发挥大作用

钙离子（Ca²⁺）信号对于几乎所有的生命过程都至关重要。Ca²⁺信号作为神经活动的指标，在神经导向生长、突触可塑性和学习记忆等过程中发挥着必不可少的重要作用。

钙调蛋白（Calmodulin,CaM）是一种广泛表达于真核细胞的Ca²⁺传感器，可以调节300多种靶蛋白的功能和活性，在Ca²⁺信号转导过程中处于枢纽地位。

在中枢神经系统，突触后膜上的NMDA受体被激活后，引起突触后致密部的局部Ca²⁺浓度升高，Ca²⁺和CaM结合并使之活化，CaM结合并激活Ca²⁺/CaM依赖的蛋白激酶IIa（CaMKIIα）。NMDA受体激活的Ca²⁺-CaM-CaMKIIα信号通路在突触可塑性和学习记忆中起重要作用。

殷东敏课题组长期关注蛋白质乙酰化修饰在突触可塑性和学习记忆中的作用。前期研究主要集中在细胞核内组蛋白的乙酰化修饰，而最近，通过分析蛋白质乙酰化修饰的公共数据库和蛋白质谱结果，研究者发现CaM的乙酰化在中枢神经系统非常富集。

蛋白乙酰化扮演什么重要角色？

研究者首先制备了针对乙酰化CaM的抗体，发现神经活动可以快速（1分钟内）增加CaM乙酰化的水平，这一过程依赖NMDA受体。接着，研究者利用乙酰化蛋白标准品滴定的方法，计算出海马组织裂解液中乙酰化CaM占总CaM蛋白的百分比，高达6%-7%，这一比例接近组蛋白乙酰化的水平。

研究者利用遗传密码拓展（genetic code expansion）技术合成并纯化了定点乙酰化的CaM蛋白，并发现在生理性浓度Ca²⁺存在的条件下，乙酰化CaM比野生型CaM更能激活蛋白激酶CaMKIIα。分子动力学计算发现，乙酰化CaM比野生型CaM更容易结合蛋白激酶CaMKIIα，亲和力更高。

最后，研究者制备了乙酰化位点突变的Cam1基因敲入小鼠，并发现这种突变小鼠存在CaMKIIα活性下降，海马脑区的突触可塑性和学习记忆能力的损伤。

这部分研究成果以“Acetylation of Calmodulin Regulates Synaptic Plasticity and Fear Learning”为题发表。华东师大生命科学学院博士生张海龙（现工作于苏州大学）、赵冰（现工作于复旦大学）、韩威为论文的共同第一作者，殷东敏研究员为论文的通讯作者。上海交通大学张健教授团队提供了分子动力学计算方面的支持。

解密蛋白乙酰化的调控机制

既然CaM的乙酰化在突触可塑性和学习记忆中扮演着重要角色，那么CaM的乙酰化是如何被神经活动调控的呢？为了回答这一问题，首先要找到负责CaM乙酰化的赖氨酸乙酰转移酶（lysine acetyltransferase, KAT）。

研究者通过在HEK293细胞内过表达各种KAT, 发现类固醇受体共激活子3（Steroid Receptor Coactivator 3, SRC3）具有最强的乙酰化CaM的能力。研究者接着通过体外乙酰化实验证明了SRC3可以直接乙酰化CaM蛋白，并发现这一过程是Ca2+浓度依赖的。

在体实验表明，急性抑制或成年期敲除海马脑区的SRC3，可以削弱神经活动引起的Ca²⁺-CaM-CaMKIIα信号通路的激活，并导致海马脑区的突触可塑性和学习记忆能力的损伤。进一步实验表明，急性抑制SRC3对突触可塑性和学习记忆能力的损伤可以被模拟乙酰化的CaM蛋白所挽救。

上述结果揭示了神经活动通过NMDA受体和Ca²⁺, 引起SRC3对CaM乙酰化，在突触可塑性和学习记忆中发挥重要作用（图1）。

▲ 图1 SRC3乙酰化钙调蛋白（CaM）调节突触可塑性和学习记忆。

神经活动激活NMDA受体，Ca²⁺内流引起SRC3乙酰化CaM，Ac-CaM更强地激活CaMKIIα，从而调控海马突触可塑性（long-term potentiation, LTP）和学习记忆。

第二部分研究成果以“SRC3 Acetylates Calmodulin in the Mouse Brain to Regulate Synaptic Plasticity and Fear Learning”为题发表。华东师大生命科学学院博士生张海龙、韩威，硕士生杜银权为论文的共同第一作者，殷东敏研究员为论文的通讯作者。这两篇论文首次揭示了钙调蛋白乙酰化的功能及调控机制，可能对Ca²⁺信号转导的研究带来新的视角。华东师范大学生命科学学院翁杰敏教授提供了若干KAT的质粒，李大力教授帮助制备了基因突变小鼠。