核糖体蛋白S6激酶p85S6K与AMPA受体GluA1亚基的相互作用及其对学习记忆的调控

In our previous study about the regulation of GluA1 subunit of ionotropic glutamate AMPA receptor by M1 muscarinic acetylcholine receptor, we found that one type of ribosomal protein S6 kinase (S6K)—p85S6K was enriched in postsynaptic densities and interacted with GluA1. Further p85S6K was demonstrated to be involved in the phosphorylation of Ser845 of GluA1. Moreover, mice with overexpression of p85S6K in the hippocampus performed better in behavior tests. Therefore, we propose that p85S6K plays an important role in membrane and synaptic insertion of GluA1 and thus modulates the cognitive function. The current project will study the following: (1) To determine the characterisitic and specificity of the interaction between p85S6K and GluA1 and its effect on the phosphorylation of Ser845 of GluA1; (2) The modulation of GluA1 by p85S6K and its effect on synaptic plasticity and learning and memory; (3) The role of p85S6K in modulation of GluA1 by M1 mAChR and M1 mAChR-mediated improvement of learning and memory. The study will elucidate the molecular mechanisms of p85S6K in the modulation of GluA1 and learning and memory, which provides new insights into the role of p85S6K in recognition. Further, the study will explore the possibility of p85S6K as a novel target to combat cognitive dysfunctions such as Alzheimer’s disease.

我们在M1胆碱受体对谷氨酸AMPA受体GluA1亚基调控作用的研究中发现，核糖体蛋白S6激酶p85S6K存在于突触后致密物中，并与GluA1相互作用，参与GluA1 Ser845位点的磷酸化。我们还发现在小鼠海马过表达p85S6K具有促进学习记忆的作用。因此，我们提出p85S6K对GluA1转位至细胞膜表面和进入突触具有重要作用，并进而调控学习记忆。本课题拟对以下问题进行研究：（1）p85S6K与GluA1相互作用特点和特异性及其在GluA1 Ser845磷酸化中的作用；（2）p85S6K对GluA1的调控作用以及对学习记忆、突触可塑性的影响；（3）p85S6K在M1胆碱受体调控GluA1及学习记忆中的作用。本研究将阐明p85S6K调控AMPA受体GluA1亚基的分子机制，进一步认识p85S6K在学习记忆中的作用，探索p85S6K作为治疗靶标在阿尔茨海默病等认知功能障碍疾病中应用的可能性。

核糖体蛋白S6激酶1（ribosomal protein S6 kinase, S6K1）是AGC激酶（属于丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶）超家族成员之一，其主要有两种形式——p85S6K和p70S6K。p85S6K比p70S6K在氮端多出23个氨基酸。p70S6K以及其上游分子哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin, mTOR）在学习记忆中起着重要作用，并参与阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）的病理生理过程。由于p85S6K与p70S6K高度同源，它的作用常常被忽略，其在学习记忆中的作用尚未可知。.在本项目研究中，我们发现脑内p85S6K而非p70S6K主要分布于突触后致密物（postsynaptic densities, PSDs）中，并通过AKAP79、SAP97与GluA1相互作用。过表达或敲减p85S6K可增加或降低GluA1 Ser845位点磷酸化，增加或降低GluA1进入突触。敲减p85S6K可导致野生型小鼠学习记忆障碍，而过表达p85S6K可增强野生型小鼠学习记忆，并改善AD模型小鼠的学习记忆障碍。此外AD人脑样本和AD模型鼠脑内p85S6K及其磷酸化形式特异性降低。这些结果提示p85S6K通过调控GluA1促进学习记忆。.我们以前研究表明M1 mAChR通过mTOR增加GluA1 Ser845磷酸化而促进学习记忆，本项目中进一步表明M1毒蕈碱型受体（M1 mAChR）激动可激活p85S6K而非p70S6K和4E-BP1，M1 mAChR拮抗剂和mTOR抑制剂可阻断这一作用。M1 mAChR激动还可以促进p85S6K转位至PSDs中，并加强p85S6K和GluA1的相互作用，从而促进GluA1 Ser845磷酸化。敲减p85S6K逆转M1 mAChR增加GluA1 Ser845磷酸化和促进GluA1与PSD95共定位的作用，也逆转了M1 mAChR激动促进学习记忆的作用。.上述研究成果揭示了p85S6K通过调控AMPA受体GluA1亚基参与学习记忆，并且在M1 mAChR促进学习记忆中起重要作用，有助于深入理解学习记忆的生理机制，具有重要的理论价值，也为针对AD等认知功能障碍疾病的临床药物开发提供了理论依据。