Cell：陈波团队发现保护视网膜神经节细胞的关键因子 | 对话科学家

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2021年7月22日，美国西奈山伊坎医学院眼科系和神经科学系陈波副教授研究团队在Cell Press细胞出版社期刊Cell上发表了一篇新研究，题为“Preservation of vision after CaMKII-mediated protection of retinal ganglion cells”。他们发现钙离子/钙调蛋白依赖的蛋白激酶II（CaMKII）是保护视网膜神经节细胞（RGCs）的关键因子。

Cell Press细胞出版社微信公众号邀请作者团队对该论文进行了解读，旨在与广大科研人员深入分享该研究成果以及一些未来的展望，点击“阅读原文”或识别下图二维码阅读英文原文。

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视网膜神经节细胞（RGCs）是视网膜向大脑传输视觉信息的唯一投射神经元。很多疾病，包括兴奋性毒性、视神经损伤、视网膜缺血和影响人数众多的青光眼，都会导致RGCs的死亡和永久视觉丧失。在临床治疗方面，保护RGCs是重要需求。比如对视网膜缺血和兴奋性毒性比较敏感的高危群体，必须有有效的保护手段来阻止短时间内大量的RGCs死亡。再比如对一部分青光眼病人来说，即便已经接受了降低眼压的治疗，他们的RGCs和视力仍在不断丢失。对于遭受视神经损伤、盼望重建视网膜和大脑连接的病人，保护RGCs也是这种重建的前提。但是，目前临床上缺乏有效保护RGCs的治疗方法。

在此，我们发现钙离子/钙调蛋白依赖的蛋白激酶II（CaMKII）是保护RGCs的关键因子。在兴奋性毒性（NMDA-mediated excitotoxicity）模型和视神经夹伤（optic nerve crush）模型中，RGCs中调节CaMKII激酶活性的关键位点的磷酸化水平出现明显下降，预示CaMKII的激酶活性可能对RGCs的生存至关重要，这也得到了CaMKII抑制剂实验的确认。接下来，我们测试了一些列具有不同激酶活性的CaMKII的突变体，发现CaMKII的活性是促进RGCs生存的。特别是具有持续激酶活性的突变体，可以在以上两种模型中保护绝大部分的RGCs，而且这种保护可以在小鼠上持续很久。在高眼压青光眼模型和正常眼压青光眼模型中，激活CaMKII活性也可以高效地保护RGCs。因此，CaMKII是一个可以在多种疾病模型中保护RGCs的关键因子。

为了研究CaMKII是否可以进一步保护视觉，我们利用兴奋性毒性模型来检测在RGCs中激活CaMKII是否可以保护视觉通路和视觉功能。我们发现，激活CaMKII可以保护大部分RGCs的轴突在视神经的完整性以及在大脑外侧膝状体核（LGN）和上丘（SC）两个重要区域的投射连接。PERG和PVEP的测试表明激活CaMKII可以保护RGCs和视觉上皮对视觉刺激的电生理反应。一系列行为测试表明激活CaMKII保护了小鼠的视觉敏锐度以及对深浅和危险的感知。

在分子机制方面，我们发现CREB是CaMKII下游介导RGCs保护作用的关键因子。RGCs中调节CREB激酶活性的关键位点的磷酸化水平，在损伤模型中呈现出了类似与CaMKII的变化。显性抑制的CREB突变体可以阻止激活CaMKII对RGC的保护作用；而持续激活的CREB的突变体具有显著保护RGCs的作用。

总体来说，这项研究表明CaMKII是一个调节RGCs生存的关键因子，很有希望在多种相关的疾病中保护RGCs和视觉功能。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文研究团队进行了专访，请他们为大家进一步详细解读。

CellPress：

视网膜神经节细胞(RGCs)是从视网膜传输视觉信息到大脑的唯一输出神经元，其生理机能的完整至关重要，那么，筛选出一个通用的靶点来保护RGCs免受损伤有何重要意义？

研究团队：

实验室中的动物疾病模型，比如兴奋性毒性模型和视神经夹伤模型，可以用来评价单一因素损伤的影响。在实际临床疾病的发展过程中，RGCs的生存可能遭受多种病理机制的综合威胁。因此，找到一个在多种疾病模型中都可以保护RGCs的通用靶点更有机会在临床使用中展现治疗效果。

CellPress：

钙调蛋白依赖性蛋白激酶II(CaMKII)负责Ca²⁺信号的传导，但是已有的关于CaMKII在调控RGCs细胞存活的研究中出现了矛盾的结果，请问这是为什么？

研究团队：

目前已有的关于CaMKII在调控RGCs存活方面的研究是非常有限的。具体说来，过去的文章用整个视网膜的匀浆来检测兴奋性毒性损伤后CaMKII激酶活性的变化，这样并不能反映CaMKII活性在RGCs中的真实变化。同样，眼内注射CaMKII抑制剂看到的保护RGCs的效果也是短暂和有限的。

当我们用细胞类型特异的抗体标记RGCs的时候，CaMKII活性在损伤后的变化就比较明确。更为重要的是，当我们用AAV向RGCs导入不同活性的CaMKII突变体，CaMKII的活性在损伤后对RGCs的保护作用就显而易见了。

这应该算研究体系和技术的进步吧。

CellPress：

RGCs中CaMKII活性会受到哪些损伤的影响？

研究团队：

在兴奋性毒性模型和视神经夹伤模型中，我们看到CaMKII活性在损伤后显著下降。在青光眼模型中，因为RGGs死亡比例不太高、死亡速度也比较慢，我们就没有检测CaMKII在RGCs中的活性变化，而是直接观察激活CaMKII是否可以保护RGCs了。

CellPress：

cAMP反应元件结合蛋白(CREB)是如何与CaMKII协作保护RGCs的？

研究团队：

CREB 是在CaMKII下游参与保护RGCs的。CaMKII的激酶活性可以磷酸化CREB的关键位点，激活CREB的转录活性，从而进一步调节与RGCs存活有关的基因或信号通路。

CellPress：

CaMKII介导的RGCs保护对于视觉通路的维持有何作用？

研究团队：

视网膜是通过RGCs的长距离轴突的投射向大脑传递信息的。但是作为中枢神经系统的一部分，成年哺乳动物RGCs的轴突在损伤后是不能再生的。因此，保护视觉通路的完整性对视觉功能的维持就至关重要了。我们发现，在兴奋性毒性模型中，激活CaMKII不仅可以保护RGCs胞体，也可以保护RGCs的轴突在视神经的完整性以及在大脑重要区域的投射连接。

CellPress：

本研究首次提供了体内证据，证明CaMKII是调控RGCs存活的关键因子，这将为RGC变性的病理条件下视力的保护提供怎样的帮助？

研究团队：

目前临床上缺乏有效保护RGCs的治疗手段。鉴于CaMKII在多种损伤或疾病模型中高效保护RGCs的能力，我们认为基于CaMKII的药物或基因治疗手段很有希望用于临床来保护RGCs变性相关疾病患者的视力。

作者简介

郭欣政 

助理教授  

郭欣政，2009年在北京大学获得生物学博士学位，2011-2015年在美国耶鲁大学医学院眼科和视觉科学系做博士后研究，2015-2017年在美国耶鲁大学医学院眼科和视觉科学系任副研究员，2017-2019年在美国西奈山伊坎医学院眼科系任副研究员，2019年起在美国西奈山伊坎医学院眼科系任助理教授。以第一作者在Cell、eLife、Nature communications、Cell Research等期刊上发表多篇研究论文。

陈波

副教授

陈波，2003年在美国迈阿密大学医学院获得药物学博士学位，2004-2010年哈佛大学医学院遗传系做博士后研究，2010-2017在耶鲁大学医学院眼科系和神经科学系任助理教授、副教授，2017年起在美国西奈山伊坎医学院眼科系和神经科学系任终身副教授。以第一作者或者通讯作者在Science、Nature、Cell、Nature Communications、eLife、Cell Reports、Journal of Neuroscience等期刊发表多篇研究论文。获得美国国立卫生院多项R01以及Pew Scholars in the Biomedical Sciences、Connecticut Stem Cell Fund、Karl Kirchgessner Foundation、McGraw Family Foundation等基金资助。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Preservation of vision after CaMKII-mediated protection of retinal ganglion cells

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00799-6

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.06.031

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