失去这一个分子，大脑便不会有记忆？
蛋白质分子 PKM-ζ 曾被认为能够调节啮齿动物的记忆维持，但这一观点饱受质疑。2016 年 5 月， 当年发掘出了这个分子的团队在 elife 上发表论文提出，此蛋白的另一个变体作为“候补”，可以在基因敲除 PKM-ζ 的小鼠中发挥类似的作用。这一发现不仅影响了人们对记忆的理解，还为脑科学研究敲响了警钟。
来源 nature
撰文 Paul W. Frankland & Sheena A. Josselyn
翻译 紫苏
神经科学重要的研究目标之一就是理解记忆。其中一个极具吸引力的问题就是：是否存在一种特殊的分子，专门用于保存记忆。经过了 20 多年的细心钻研，神经科学家 Todd Sacktor 和同事以为他们找到了答案。2006 年他们报道了一种名为 PKM-ζ 的非典型蛋白激酶 C ( enzyme protein kinase C, PKC)。PKM-ζ 参与小鼠的记忆维持 ；让 PKM-ζ 失活会擦除记忆。但随后就有人质疑，争论四起。
2016 年这个团队再次出击，在 elife 发表文章声称应该恢复 PKM-ζ 作为首要记忆分子的地位。
半个多世纪以前，心理学家 Donald Hebb 提出当互相连接的两个神经元同时放电，它们之间的突触联系就会增强。他提出这种突触连接的增强是形成长期记忆的基础，让很多细胞群中的细胞联系在一起，作为记忆的物质基础，这就是记忆印记。后来人们发现高频率的神经刺激可以导致突触连接的持久增强,也就是长时程增强（long-term potentiation，LTP）。大多数的神经科学家都支持这样的观点：理解 LTP 是理解记忆的关键。而其中的重点就是识别出 LTP 涉及的分子机制。
图片来源：McAuliffe Neur 493
而这种特殊的分子脱颖而出。虽然有数十个分子参与最初的突触增强过程，似乎只有 PKM-ζ 在维持这种强化连接中起了关键作用。所以人们把这种分子和记忆维持联系了起来。随后有数个实验证明了在记忆形成后抑制 PKM-ζ 活性（例如利用一种有 13 个氨基酸名为 ZIP 蛋白质片段：它模仿 PKM-ζ 的天然底物，会让 PKM-ζ 失活），能够消除记忆。
但是当人们发现敲除了表达 PKM-ζ 基因的小鼠仍然表现出正常的 LTP 和记忆能力，围绕着 PKM-ζ 的热情迅速消退了。 但更让人困惑的是，在敲除了 PKM-ζ 基因的小鼠中， 和未敲除 PKM-ζ 基因的小鼠类似， ZIP仍会阻断 LTP过程，也可以消除记忆。因此 ZIP 的健忘效应必然在通过其他机制发挥作用。
这是否表明记忆中 PKM-ζ 并非必须？围绕着 2013 年的这篇文章的讨论多在讨论这种可能性。但不止一种阻断 PKM-ζ 活性的方法都会消除记忆，又让人们又对这种可能充满怀疑。另一个可能性是：PKM-ζ 在正常小鼠的 LTP 和记忆中扮演着重要的角色，但 PKM-ζ 缺陷小鼠的替代性过程也对 ZIP 敏感。
这就把我们带到了现在这个研究。Tsokas 等第一次确认了在正常和 PKM-ζ 缺陷的小鼠中，ZIP 都会阻断 LTP，指示了局部的程序差异不能解决这场辩论。接下来他们又发现在诱导 LTP 过程的小鼠大脑海马区切片中观察到了 PKM-ζ 增加，而在 PKM-ζ 缺陷的小鼠切片中，另一种蛋白激酶 C ，PKC-ι/λ 持续增加。无论向海马 CA1 区神经元直接注射 PKC-ι/λ 或 PKM-ζ，都会诱发正常小鼠的 LTP。 ZIP 能抵消任何一种蛋白的作用，暗示着 PKC-ι/λ 可能是当 PKM-ζ 缺失，作为候补的神秘分子。
为了直接检测这种想法，Tsokas 和同事分别阻断了两种蛋白质的活性，然后在大脑海马区切片中检测 LTP。 对照组的切片中， 让PKM-ζ 失活会阻断了 LTP ,但抑制PKC-ι/λ 没有效应。相反地，在 PKM-ζ 缺陷小鼠中，抑制 PKC-ι/λ 的活性就阻断了 LTP， 让 PKM-ζ 失去活性 则没有效果。 当作者检验 PKC-ι/λ 和 PKM-ζ 对记忆的作用时候，得到了同样的模式。
在位置回避测试中，处在旋转的测试盘中的小鼠学习到当它们移动到一个特定的区域，足底就会受到电击。在学习中，神经元的突触链接在长时程增强（LTP）过程中增强了，这是记忆形成所必需过程。Tsokas 等研究了两种蛋白激酶C —— PKM-ζ 和PKC-ι/λ ——在诱发 LTP 以后对以及维持的调节.
a.普通小鼠的 PKM-ζ 水平在学习后升高。在这种小鼠内阻断 PKM-ζ 活性会失去 LTP 过程， 而失去记忆， 小鼠会忘记怎样回避电击。相反地， PKC-ι/λ 失活对记忆没有影响。
b. 在缺少编码 PKM-ζ 基因的小鼠中， PKC-ι/λ 会随着诱导 LTP被升高， PKC-ι/λ 失活会导致 LTP和记忆的缺失， 而 PKM-ζ 失活则没有效应。
因此在正常情况下 PKM-ζ 是维持记忆的主要作用物，而当 PKM-ζ 缺失， PKC-ι/λ 有代偿作用。
最新的研究是否恢复了 PKM-ζ 作为最重要的记忆分子的地位？PKM-ζ 理论吸引人的地方在于可以用一个单独的分子解释 LTP 和记忆。现有的研究结果和这种理论不矛盾。但是在他们的实验中，Tsokas 等在诱导 LTP 和记忆前（而不是之后）抑制了 PKM- ζ 的活性。这意味着他们没有直接评估在 LTP 和记忆维持中，这种酶的作用。
PKM-ζ 的故事是一个警告：我们需要关注用来检测脑功能和建立因果关系的工具的特异性。之前矛盾结果暴露了 ZIP 作为检验 PKM-ζ 功能的模糊性，它显然也影响到了其他分子，还可能引起神经元的沉默。 同样的， 看似更特异性的干涉，例如基因敲除 PKM-ζ， 导致一连串的没有预期到的补偿性改变， 这让实验变得难以解释，预测结果也变得困难。 这一缺陷不仅在于一个基因突变，它会影响、干扰一系列的脑功能。
当关于 PKM-ζ 的争论喧嚣依然， 还有更大的谜团摆在眼前。 如 Tsokas 这样的分子神经科学家给出了记忆印记的静态观点，其中由记忆编码引发的突触改变会持续一生。相反地，神经科学展现的图景更为动态，强调在记忆维持中，相应的突触，甚至神经元本身都会发生广泛的变化。对记忆的全面理解需要合并分子和系统层面的观点，让其达到统一。
原文链接：http://www.nature.com/nature/journal/v535/n7610/full/nature18903.html
论文基本信息：
【题目】Compensation for PKMζ in long-term potentiation and spatial long-term memory in mutant mice
【作者】Panayiotis Tsokas，Changchi Hsieh，Yudong Yao et al.
【期刊】eLife
【日期】Published online15 June 2016
【doi】
【摘要】PKMζ is a persistently active PKC isoform proposed to maintain late-LTP and long-term memory. But late-LTP and memory are maintained without PKMζ in PKMζ-null mice. Two hypotheses can account for these findings. First, PKMζ is unimportant for LTP or memory. Second, PKMζ is essential for late-LTP and long-term memory in wild-type mice, and PKMζ-null mice recruit compensatory mechanisms. We find that whereas PKMζ persistently increases in LTP maintenance in wild-type mice, PKCι/λ, a gene-product closely related to PKMζ, persistently increases in LTP maintenance in PKMζ-null mice. Using a pharmacogenetic approach, we find PKMζ-antisense in hippocampus blocks late-LTP and spatial long-term memory in wild-type mice, but not in PKMζ-null mice without the target mRNA. Conversely, a PKCι/λ-antagonist disrupts late-LTP and spatial memory in PKMζ-null mice but not in wild-type mice. Thus, whereas PKMζ is essential for wild-type LTP and long-term memory, persistent PKCι/λ activation compensates for PKMζ loss in PKMζ-null mice.
【链接】https://elifesciences.org/content/5/e14846
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