神经元突触活性调控基因表达的机制研究

Local signaling events at synapses or axonal terminals are communicated to the nucleus to elicit transcriptional responses, and thereby translate information about the external environment into internal neuronal representations. Activity-dependent modification of gene expression is a powerful means by which the neurons build up long-term modification. However, the lengths of neuronal processes pose a significant challenge for such intracellular communications. Currently, calcium waves and translocation of key proteins to the nucleus are the two major pathways involved in signaling transduction along the dendrites. However, it is still unclear why the signals are transduced persistently and specifically. In the axon, signaling endosome containing internalized neurotropic receptor and downstream signaling molecular is another pathway that mediates the transduction of neurotropic signals along the axon. It is still unclear whether signaling endosome exists in the dendrites. Endosomal adaptor protein APPL1 is a marker for signaling endosome in the heterologous cells and is transduced into the nucleus after external stimulus such as stress. Here, we found that synaptic activity induced nuclear translocation of APPL1 in the excitatory neurons. In addition, a peptide against the nuclear localization sequence of APPL1 blocked synaptic activity-dependent nuclear translocation of APPL1, as well as the upregulation of CREB phosphorylation at Ser133 site in the nucleus. Furthermore, nuclear translocation of APPL1 was dependent on clathrin-mediated endocytosis. These data suggest that, in the dendrite, synaptic activity may also induce the formation of signaling endosome, which is responsible for the effective and long-term transduction of signals to the nucleus and modification of gene transcription. It will provide new information for us to understand the mechanisms how our brain is modified according to the external stimulus.

神经元接受外界刺激时，可以将信息传递到核内并调节基因表达，实现神经元的长时程调控。然而，神经元具有复杂的结构，那么，突触活性如何将信息通过树突传递到核内？目前的研究主要围绕着继发性钙波形成和某些蛋白的核转位展开，但不足以解释信号为什么在传递过程中没有发生衰减，以及不同传递途径时间和空间上的协作关系。内体接头蛋白APPL1在异源系统中被认为是信号内体的标记物。我们的前期研究显示，突触活性可以引起神经元APPL1的核转位；APPL1核转位依赖于clathrin介导的内化过程；如果利用多肽阻断APPL1入核，可以阻断突触活性引起的CREB磷酸化水平增高。因此我们提出假设，突触活性可能会引起某些受体的内化，进而在树突形成含内化受体/接头蛋白/信号分子的信号内体，将外界信息稳定地传递到细胞核，并调控基因表达及突触可塑性。这一假设的证明将对我们理解大脑感受外界刺激产生学习和记忆功能提供新的思路。

神经系统中，突触活性调控基因表达是神经元建立其功能特性稳定改变的主要方式，也是形成长时程突触可塑性和长期记忆的基础。当神经元突触部位受到外界信号刺激后，相应的受体或通道将信号传递到突触内，并经过长距离运输过程将信号转运至细胞核内以激活转录因子调控基因转录，从而引起神经元功能长时程的改变。然而，其内在的分子机制目前还不明确。APPL1作为Rab5的效应因子，被认为是早期内体的标记物。APPL1可以将内化的受体与下游信号通路如PI3K/AKT，ERK等相偶联，因此APPL1标记的内体又被认为是一类特殊的内体——信号内体。我们早期的研究发现，APPL1在神经系统中可以偶联N-甲基-D-门冬氨酸（NMDA)受体以及胞内PI3K/AKT信号通路，并对神经元起到保护作用。在本研究中，我们鉴定出一条由APPL1介导的TrkB内体沿树突的逆向运输途径，这条通路在偶联突触活性与核内基因转录中起到关键的作用。首先，利用免疫染色、生化及活细胞成像的方法，我们发现，在海马神经元中，增强突触活性可以促进BDNF的释放并激活TrkB，TrkB随之内化到含有APPL1的内体中，并进而沿着树突微管蛋白逆向运输。然后，我们鉴定出APPL1上存在一个核定位信号，可以与核转运蛋白Importin α1有直接的相互作用。如果使用多肽干扰APPL1与Importin α1的相互作用，则干扰TrkB及APPL1的逆向运输。进一步研究发现，APPL1介导的TrkB逆向树突运输过程决定了核内ERK的活性，以及CREB磷酸化水平的维持。利用电生理及行为学实验，我们发现，这一过程还参与了长时程增强（LTP）的维持以及长期记忆的形成。最后，我们在整体动物上研究发现，APPL1敲除小鼠表现出重复刻板、焦虑、恐惧记忆消退障碍等行为。因此，我们的研究提示，在神经元的树突中，存在一条由APPL1介导的TrkB内体逆向树突运输通路，可以将突触活性信息传递到核内，该信号通路也在学习记忆过程中发挥重要的作用，并在焦虑及重复刻板行为及恐惧记忆的消退过程中可能起重要作用。