Curr Biol︱陈楠楠等揭示突触区翻译引起CaMKII蛋白不对称分布，及其在记忆形成中的作用

撰文︱陈楠楠

责编︱王思珍，陆   一

制版︱查佳雪

突触是神经系统中神经元与神经元之间的联系，也是行为可塑性形成的基础。突触区域有大量蛋白的存在，其中磷酸化蛋白Ca²⁺/CaMKII（calmodulin- dependent protein kinase II）在中枢神经系统中占有约2%蛋白总量[1]，且在行为可塑性的形成中起到关键的作用[2-4]。研究表明，哺乳动物CaMKII2A和果蝇CaMKII的3’-UTR（three prime untranslated region）均包含神经元活性依赖的突触可塑性的关键调节因子，该调节可发生在突触后[5,6]和突触前末端[7,8]。然而，在突触区域超大量CaMKII富集的形成机制及其在神经系统中的作用是完全未被涉及的课题。

2022年5月10日，美国布兰迪斯大学（Brandeis University）生物学系的Leslie C. Griffith和Nannan Chen团队在Current Biology上发表了题为“Local translation provides the asymmetric distribution of CaMKII required for associative memory formation”的文章，阐述了CaMKII在神经元中不对称分布的机制，及其在突触可塑性和记忆形成中的关键作用。

作者通过CRISPR/Cas9技术在CaMKII基因原位插入绿色荧光蛋白GFP，发现在果蝇脑中CaMKII蛋白以主动方式富集于神经元的突触区域，而在神经元的胞体区含量很低。根据物种间的保守程度，作者对CaMKII的3’UTR区域分段进行研究；并发现3’UTR中高度保守的远端区域是CaMKII突触富集的顺势调控因子。有趣的是，果蝇脑中RNA总量和突触区RNA含量并无差异，这说明该顺势调控因子特异性调控突触区翻译，而非RNA的运输（图1）。

 图1 CaMKII 3’UTR的远端区域是轴突区翻译增强的顺时作用因子

（图源：N Chen, et al., Curr Biol, 2022）

通过对该识别区域中RNA结合蛋白的筛选，作者发现在果蝇脑记忆中心蘑菇体中特异性表达的RNA结合蛋白Mub可以特异性的识别并结合在该顺势调控因子中一段23个碱基的识别区域上。下调Mub或者敲除该识别区域均可大幅降低CaMKII蛋白的表达。进一步地，作者通过CRISPR/Cas9技术在基因原位和蘑菇体区域特异性的敲除该识别区域，发现CaMKII蛋白突触表达显著降低，神经元突触可塑性被破坏，且联想式学习记忆水平也显著降低（图2）。以上发现表明，RNA结合蛋白在突触区域调控了突触蛋白的区域性翻译，且该区域性翻译在神经可塑性的形成中起到关键作用。

 图2 Mub识别区域的缺失使神经元可塑性和记忆受损

（图源：N Chen, et al., Curr Biol, 2022）

图3 工作总结图：突触区翻译引起CaMKII蛋白不对称分布，及其在记忆形成中的作用

（图源：N Chen, et al., Curr Biol, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，作者通过CRISPR/Cas9技术在CaMKII基因原位构建了一系列转基因果蝇品系，发现一段位于3’UTR上的23个碱基的突触区翻译增强的顺势作用因子，并发现RNA结合蛋白Mub可以结合该因子并增强翻译（图3）。这种在突触区域的翻译调控是CaMKII突触区富集的基础，也对神经可塑性及联想式学习记忆的形成起到至关重要的作用（图3）。

突触区翻译是一种高效且具有特异性的翻译机制，众多RNA结合蛋白可在该过程中起到翻译增强／翻译抑制／RNA降解等多种作用。RNA结合蛋白功能的紊乱可造成神经系统疾病的形成。同时，因为突触区RNA的含量少且成像信噪比低，其识别一直是一个不易攻克的难题。未来随着更多技术的发展和成熟，希望突触区RNA的调控机制得到更深入的研究。

总之，该研究发现了RNA结合蛋白Mub对于CaMKII在突触区域翻译起到增强作用，且该作用对联想式学习记忆的形成是必须的（图3）。

原文链接：https://authors.elsevier.com/c/1f2ob3QW8R~cbw

这篇文章获得NIH R37 NS112810（Leslie C. Griffith）和NIH R01 DA043195（Leslie C. Griffith）基金支持。

第一作者陈楠楠（上排左二），通讯作者Leslie C. Griffith（上排左一）

（照片提供自：Griffith实验室）

第一作者简介：陈楠楠，本科毕业于浙江大学生物技术系，后在中科院生物物理研究所获得博士学位，毕业后于美国布兰迪斯大学Griffith实验室进行博士后研究工作。

通讯实验室简介：Griffith实验室（https://www.griffithlabbrandeis.com）位于波士顿郊区的布兰迪斯大学，致力于研究行为的生物化学和细胞学基础。目前该实验室正在招聘博士后，欢迎有志者的申请。

人才招聘
【1】“ 逻辑神经科学 ”诚聘副主编/编辑/运营岗位（在线办公）

往期文章精选【1】Front Aging Neurosci 综述︱樊东升团队聚焦肌萎缩侧索硬化中外周与中枢免疫系统的交互作用【2】NPP︱陆伟团队揭示GABAA受体辅助亚基磷酸化修饰调控神经行为的新机制【3】Cereb Cortex︱模式僵化，腹内侧前额叶皮层的时间动态性对反刍与抑郁的作用【4】Front Aging Neurosci︱PTAFR作为一种新型生物标志物助力阿尔兹海默症诊断与治疗【5】PNAS︱冯国平实验室揭示前端丘脑环路在工作记忆中的重要作用【6】Mol Psychiatry︱叶克强课题组揭示炎症激活的C/EBPβ/AEP信号通路介导高脂饮食诱发的糖尿病及阿尔兹海默症【7】PNAS︱王昌河课题组揭示神经突触胞吐-胞吞平衡新机制【8】Autophagy︱叶一泓课题组揭示引起神经元蜡样脂褐质沉积新分子机理：DNAJC5/CSPα基因突变导致溶酶体稳态失衡【9】J Neuroinflammation | 王伊龙团队报道血液炎症标志物与脑小血管病关系的新证据【10】Science︱非线索性目标导向行为的神经机制

优质科研培训课程推荐【1】学术论文写作实战培训班（直播：2022.5.21~5.22）【2】单细胞测序与空间转录组学数据分析研讨会（6月11-12日 腾讯在线会议）【3】膜片钳与光遗传及钙成像技术研讨会 5月21-22日 腾讯会议学术研讨会【1】学术研讨会系列︱深入大脑内部：杏仁核环路的成像研究


参考文献（上下滑动阅读）  

1, Erondu, N.E., and Kennedy, M.B. (1985). Regional distribution of type II Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase in rat brain. J. Neurosci. 5, 3270–3277. https://doi.org/10.1523/jneurosci.05-12-03270.1985.

2, Griffith, L.C., Verselis, L.M., Aitken, K.M., Kyriacou, C.P., Danho, W., and Greenspan, R.J. (1993). Inhibition of calcium/calmodulin-dependent protein kinase in Drosophila disrupts behavioral plasticity. Neuron 10, 501–509. https://doi.org/10.1016/0896-6273(93)90337-q.

3, Silva, A.J., Paylor, R., Wehner, J.M., and Tonegawa, S. (1992). Impaired spatial learning in a-calcium- calmodulin kinase II mutant mice. Science 257, 206–211. https://doi.org/10.1126/science.1321493.

4, Bayer, K.U., and Schulman, H. (2019). CaM kinase: still inspiring at 40. Neuron 103, 380–394. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.05.033.

5, Aakalu, G., Smith, W.B., Nguyen, N., Jiang, C., and Schuman, E.M. (2001). Dynamic visualization of local protein synthesis in hippocampal neurons. Neuron 30, 489–502. https://doi.org/10.1016/s0896-6273(01)00295-1.

6, Miller, S., Yasuda, M., Coats, J.K., Jones, Y., Martone, M.E., and Mayford, M. (2002). Disruption of dendritic translation of CaMKIIa impairs stabilization of synaptic plasticity and memory consolidation. Neuron 36, 507–519. https://doi.org/10.1016/s0896-6273(02)00978-9.

7, Nesler, K.R., Starke, E.L., Boin, N.G., Ritz, M., and Barbee, S.A. (2016). Presynaptic CamKII regulates activity-dependent axon terminal growth. Mol. Cell. Neurosci. 76, 33–41. https://doi.org/10.1016/j.mcn.2016.08.007.

8, Kuklin, E.A., Alkins, S., Bakthavachalu, B., Genco, M.C., Sudhakaran, I., Raghavan, K.V., Ramaswami, M., and Griffith, L.C. (2017). The long 3’UTR mRNA of CaMKII is essential for translation-dependent plasticity of spontaneous release in Drosophila melanogaster. J. Neurosci. 37, 10554–10566. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1313-17.2017.

本文完