上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究院發(fā)現(xiàn)Pyk2抑制場(chǎng)景恐懼記憶的新機(jī)制
2021年9月17日，上海交通大學(xué)吳強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在Journal of Molecular Cell Biology (JMCB)上發(fā)表了題為"Pyk2 suppresses contextual fear memory in an autophosphorylation-independent manner"的研究成果，發(fā)現(xiàn)Pyk2的非自磷酸化依賴的功能調(diào)節(jié)基因表達(dá)、樹突和樹突棘的形態(tài)建成、以及場(chǎng)景關(guān)聯(lián)的恐懼記憶。
如果把大腦比作星空，那么大腦中的神經(jīng)元就是星空中的點(diǎn)點(diǎn)繁星。人的大腦擁有約860億個(gè)神經(jīng)元，神經(jīng)元和神經(jīng)元之間通過突觸進(jìn)行連接和溝通，形成一個(gè)高度復(fù)雜又精密無比的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。如何確保每個(gè)神經(jīng)元處于正確的位置、與正確的神經(jīng)元形成連接，對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)尤為重要。
在小鼠中，58個(gè)原鈣粘蛋白基因形成三個(gè)串聯(lián)排布的基因簇：Pcdhα、Pcdhβ、Pcdhγ，其中Pcdhα、Pcdhγ由可變外區(qū)顯子和恒定區(qū)外顯子編碼，而Pcdhβ只由可變區(qū)外顯子編碼，它們主要表達(dá)在大腦中，在大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特異性連接中起到重要作用（圖1A）。原鈣粘蛋白的表達(dá)受增強(qiáng)子的調(diào)控，CTCF/cohesin通過染色質(zhì)環(huán)擠出方式介導(dǎo)啟動(dòng)子和增強(qiáng)子的遠(yuǎn)程互作，使得單個(gè)神經(jīng)元能夠選擇性表達(dá)不同組合的原鈣粘蛋白質(zhì)群，形成單個(gè)神經(jīng)元特異性的身份標(biāo)簽密碼（圖1B）。每個(gè)神經(jīng)元通過不同的身份標(biāo)簽識(shí)別“自我”和“非我”，進(jìn)而確保神經(jīng)元之間能夠正確的形成連接（圖1C）。
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圖1.?原鈣粘蛋白的多樣性以及Pyk2、WAVE信號(hào)軸介導(dǎo)的細(xì)胞骨架動(dòng)態(tài)變化調(diào)節(jié)樹突的自我回避和樹突棘的形態(tài)發(fā)生
Pcdhα、Pcdhγ的下游信號(hào)分子Pyk2，是一個(gè)非受體酪氨酸蛋白激酶，主要表達(dá)于成年小鼠的海馬中。Pcdhα/γ、Pyk2-Rac1、WAVE的信號(hào)網(wǎng)路介導(dǎo)神經(jīng)元的自我避免、樹突和樹突棘的形態(tài)建成、以及神經(jīng)元遷移過程（圖1C）。此外，Pyk2被證明調(diào)節(jié)LTP和LTD的形成過程，以及參與調(diào)節(jié)阿爾茨海默病的發(fā)生。雖然諸多研究都表明Pyk2對(duì)于學(xué)習(xí)和記憶十分重要，但使用活體小鼠進(jìn)行的研究證據(jù)比較缺乏。
團(tuán)隊(duì)利用CRIPSR-Cas9系統(tǒng)構(gòu)建Pyk2的基因敲出小鼠模型，然后通過水迷宮實(shí)驗(yàn)和條件恐懼實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Pyk2-/-小鼠具有增強(qiáng)的場(chǎng)景關(guān)聯(lián)的恐懼記憶，Pyk2具有抑制場(chǎng)景關(guān)聯(lián)恐懼記憶的功能；然后，重新在海馬中引入Pyk2能夠挽救基因敲除的表型；更進(jìn)一步地利用自磷酸化位點(diǎn)突變的Pyk2Y402F小鼠進(jìn)行行為學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Pyk2抑制場(chǎng)景關(guān)聯(lián)的恐懼記憶不依賴其自磷酸化活性；通過高通量技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，Pyk2敲除導(dǎo)致IEG基因的表達(dá)增強(qiáng)；最后分析Pyk2-/-和Pyk2Y402F小鼠中神經(jīng)元的樹突和樹突棘形態(tài)變化發(fā)現(xiàn)，Pyk2-/-具有更復(fù)雜的樹突形態(tài)，更高的樹突密度、以及更多的更加穩(wěn)定的蘑菇型樹突棘。
圖2. Pyk2抑制場(chǎng)景關(guān)聯(lián)恐懼記憶的分子機(jī)制
綜上所述，Pyk2通過不依賴自磷酸化的方式，調(diào)節(jié)基因表達(dá)、樹突和樹突棘的動(dòng)態(tài)變化，最終抑制小鼠的場(chǎng)景關(guān)聯(lián)的恐懼記憶（圖2）。本研究闡明了Pyk2在場(chǎng)景關(guān)聯(lián)恐懼記憶中的潛在機(jī)理，豐富了學(xué)習(xí)和記憶形成的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，為進(jìn)一步研究原鈣粘蛋白、Pyk2信號(hào)軸關(guān)聯(lián)的精神疾病（如阿爾茨海默?。┖涂謶旨膊。ㄈ鏟TSD）的病理機(jī)制提供參考意義。
生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士生鄭金為本項(xiàng)研究成果的第一作者，系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究院索倫、周雨瀟、賈麗玲為共同第一作者，吳強(qiáng)、索倫為共同通訊作者。本研究得到國(guó)家科技部、基金委和上海市科委的資助。多年來，生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院和系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究院探索多樣化的研究生聯(lián)合培養(yǎng)模式，為我國(guó)生命科學(xué)事業(yè)發(fā)展積極貢獻(xiàn)科研力量。
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論文鏈接：https://doi.org/10.1093/jmcb/mjab057
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