兴奋依赖性CaM入核转运在突触可塑性和长期记忆中的作用

Communication between synaptic activity and nuclear transcription is thought to be crucial for long-term plasticity and learning, and has sometimes been attributed to synapto-nuclear translocation of signaling proteins. However, both the mnemonic function and the cell biological mechanism remain unsettled. Uncertainty surrounds genetic manipulations of commonly invoked signaling proteins like CaM -- maneuvers engender developmental and anatomical effects as well as acute actions on synapto-nuclear signaling. To surmount these difficulties, we manipulated gCaMKII, a CaM shuttle protein previously identified by us, rather than CaM itself. Our preliminary data show that gCaMKII KO mice are normal in the development, but have a striking spatial memory defect. In this proposal, we will further apply an analytical scalpel in genetically modified mice to elucidate the in vivo functions of CaM translocation using molecular, electrophysiology and behavior methods. We aim to elucidate the precise role of CaM translocation in neuronal plasticity and learning, with the hope to shed light on understanding the correlation between synapto-nuclea signaling and neuronal diseases like intellectual disability.

神经元的突触活动通过信号传导可以激活细胞核内的基因转录，这一过程对于突触可塑性和学习记忆十分重要，但是否依赖于钙调蛋白CaM等信号分子的入核转运来作为突触和细胞核间的纽带还存在较大争议。引起争议的主要原因是这些入核信号分子都具有多功能多靶点的特性，在分子层面对其操控并避免脱靶效应十分困难。为了解决这一问题，我们通过众多分子手段来调控前期工作鉴定出的CaM入核转运蛋白gCaMKII，避免了对信号分子CaM本身的干扰从而使阐明其入核转运的功能成为可能。预实验结果显示敲除gCaMKII虽然没有影响小鼠的大脑发育却严重影响了小鼠的空间记忆，提示CaM入核转运对大脑功能的重要性。本项目将利用转基因小鼠并结合点突变和病毒介导基因过表达等技术，在体特异性调控gCaMKII运输CaM的功能以阐明CaM入核转运在突触可塑性和学习记忆中的作用，并在此基础上进一步探索信号分子入核与智力障碍之间可能的联系和机制。

神经元的突触活动通过信号传导可以激活细胞核内的基因转录，这一过程对于突触可塑性和学习记忆十分重要，但是否依赖于Ca2+等信号分子的入核转运来作为突触和细胞核间的纽带还存在较大争议。引起争议的主要原因是Ca2+和钙调蛋白CaM等入核信号分子都具有多功能多靶点的特性，在分子层面对其操控并避免脱靶效应十分困难。为了解决这一问题，我们通过调控前期工作鉴定的CaM入核转运蛋白gCaMKII，避免了对信号分子CaM本身的干扰从而使阐明其入核转运的功能成为可能。实验结果显示敲除gCaMKII虽然没有影响小鼠的大脑发育却严重影响了小鼠的空间记忆，提示CaM入核转运对大脑功能的重要性。利用转基因小鼠并结合点突变和病毒介导基因过表达等技术，本项目在体特异性调控gCaMKII运输CaM的功能以阐明CaM入核转运在突触可塑性和学习记忆中的作用，并在此基础上进一步探索信号分子入核与智力障碍之间可能的联系和机制，发现CaM入核对于长期记忆至关重要，从而建立起其与智力障碍之间可能的联系。这项研究作为研究论文于2018年在线发表在Nature Communications上。以这一发现为基础，聚焦gCaMKII这个智力障碍基因和兴奋性基因转录，我们进一步发现了gCaMKII在长期记忆中的功能，相关结果于2021年发表在Neuron和Cell Reports上，并在项目执行期间培养博士生和博士后多名。