Nature子刊解析长期记忆形成机制

　　

生物通报道  来自Gladstone研究所的科学家们揭示了一种称作为Arc的蛋白质调控神经元活性的机制，提供了与大脑形成长期记忆能力有关的一些线索。这些报道在本周《自然神经科学》（Nature Neuroscience）杂志上的研究发现，也让研究人员重新认识了当这一过程遭受破坏时分子水平上所发生的事件。

在Gladstone研究所资深研究员Steve Finkbeiner博士的领导下，该研究深入探究了突触的内部运作机制。突触具有高度特化的功能：处理和传递神经元之间的信息。尽管我们大脑大多数的突触在大脑发育早期就已形成，但在我们的整个生命过程中，还是有突触生成、遭受破坏以及增强。突触越活跃则变得越强，这一过程对于形成新记忆至关重要。然而，这一过程也是危险的，其可以过度刺激神经元，导致癫痫发作。因此它必须受到控制。

近期神经科学家们发现了大脑维持这一重要平衡的一个关键机制：他们将这一过程称之为“稳态缩放”（ homeostatic scaling）。“稳态缩放使得每个神经元可以增强它们建立的新突触连接从而形成记忆，同时它还防止了神经元变得过度兴奋。尽管研究人员并不清楚神经元实现这一过程的确切机制，但他们怀疑Arc发挥了关键的作用。

Finkbeiner博士说：“科学家们知道Arc与长期记忆有关，因为缺失Arc蛋白的小鼠可以学习新任务，但在第二天就会忘记它们。由于初期的观察结果表明学习过程中Arc在突触中发生了累积，研究人员认为Arc存在于这些突触中驱动了长期记忆形成。”

但Finkbeiner博士和研究小组认为，还有一些别的东西在起作用。在实验室实验中，研究人员首先利用动物模型，随后又在培养皿中更详细地追踪了Arc的变化。观测结果让他们感到非常的惊讶。

论文的主要作者Erica Korb 博士说：“当记忆过程中个别神经元受到刺激时，Arc开始在突触中累积，但我们发现不久之后，大多数的Arc穿梭进入到细胞核中。更深入的观察揭示，Arc蛋白的三个区域支配了它的移动：一个将Arc送出细胞核，第二个将它送入细胞核，第三个让它维持在原地。这一复杂和紧密调控系统的存在，强有力地证实了这一过程具有重要的生物学意义。”

事实上，研究小组的实验表明，Arc充当了整个稳态缩放过程的主调控因子。在记忆形成过程中，某些基因在非常特异的时间被开启和关闭，生成的一些蛋白质帮助了神经元储存新记忆。作者们发现在细胞核内支配这一过程的Arc是稳态缩放发生的必要条件。通过稳态缩放增强了突触连接，并且没有过度刺激它们，由此将学习转化为了长期的记忆。

Finkbeiner博士说：“这一研究发现具有重要的意义，不仅因为它解答了长期以来关于Arc在长期记忆形成中所起作用这一谜题，还提供了有关稳态缩放过程的新认识，其遭到破坏与大量的神经系统疾病相关联。例如，近期科学家们发现，阿尔茨海默氏症患者大脑记忆中心海马中的Arc耗竭。有可能使稳态缩放过程遭受破坏，导致了阿尔茨海默氏症的学习和记忆缺陷。”

Arc生成和输送异常也可能是自闭症的一个重要作用因素。例如，遗传性疾病脆性X综合征，就直接影响了神经元中Arc的生成。

Korb博士说：“在未来，我们希望进一步研究Arc在人类健康和疾病中的作用，从而更深入地了解这些以及其他的疾病，为开发对抗这些疾病的新治疗策略奠定基础。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Arc in the nucleus regulates PML-dependent GluA1 transcription and homeostatic plasticity

The activity-regulated cytoskeletal protein Arc (also known as Arg3.1) is required for long-term memory formation and synaptic plasticity. Arc expression is robustly induced by activity, and Arc protein localizes to both active synapses and the nucleus. Whereas its synaptic function has been examined, it is not clear why or how Arc is localized to the nucleus. We found that murine Arc nuclear expression is regulated by synaptic activity in vivo and in vitro. We identified distinct regions of Arc that control its localization, including a nuclear localization signal, a nuclear retention domain and a nuclear export signal. Arc localization to the nucleus promotes an activity-induced increase in the expression of promyelocytic leukemia nuclear bodies, which decreases GluA1 (also called Gria1) transcription and synaptic strength. We further show that Arc nuclear localization regulates homeostatic plasticity. Thus, Arc mediates the homeostatic response to increased activity by translocating to the nucleus, increasing promyelocytic leukemia protein expression and decreasing GluA1 transcription, ultimately downscaling synaptic strength.