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在神经科学领域，蛋白激酶 A（PKA）和细胞外信号调节激酶（ERK）对学习和记忆至关重要，但它们的信号交互机制不明。研究人员以果蝇为模型展开研究，发现 PKA 限制 Kenyon 细胞中 ERK 信号传导。这为理解神经信号通路提供依据，对相关疾病研究意义重大。
在奇妙的大脑世界里，神经元之间的信号传递就像一场精密的交响乐，而蛋白激酶 A（Protein Kinase A，PKA）和细胞外信号调节激酶（Extracellular Signal-Regulated Kinase，ERK）则是其中重要的 “演奏者”，它们在学习和记忆过程中发挥着核心作用。然而，这两种激酶之间是如何相互作用的，一直是困扰科学家们的谜题。此前的研究虽然知道 PKA 和 ERK 参与多种大脑活动，但它们之间具体的信号传导机制并不清楚，这就像在一幅拼图中，缺失了关键的几块。为了填补这一空白，深入了解大脑的奥秘，来自未知研究机构的研究人员踏上了探索之旅。
研究人员选择了果蝇作为研究对象，因为果蝇的大脑虽然小，但其学习和记忆相关的神经回路却与人类有着惊人的相似性，而且果蝇具有易于遗传操作的优势，是研究神经科学的理想模型。他们开展了一系列实验，旨在探究 PKA 和 ERK 在学习记忆相关的 Kenyon 细胞神经元中的信号传导关系。最终，研究人员发现 PKA 在 Kenyon 细胞中能够限制 ERK 信号传导，这一发现为理解大脑学习和记忆的分子机制提供了关键线索，对相关疾病的研究和治疗也具有重要意义。该研究成果发表在《Cellular Signalling》杂志上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，利用基于相分离的激酶活性报告基因（SPARK）生物传感器，这种传感器就像一个微小的 “信号探测器”，能够在体内精确地检测 PKA 和 ERK 的信号活动。其次，通过转基因技术构建各种果蝇品系，包括表达组成型激活的快速加速纤维肉瘤（RAFgof）、PKA 抑制剂（PKAr*）、神经元活性增强通道（NaChBac）和温度敏感的瞬时受体电位 A1（TRPA1）通道等品系。最后，运用免疫荧光染色和共聚焦显微镜成像技术，结合图像分析，对不同条件下的果蝇大脑进行观察和量化分析。
下面来详细看看研究结果：
- PKA 功能在基线条件下限制 ERK 信号传导域：研究人员通过驱动 OK107-Gal4 来表达 PKA-SPARK 或 ERK-SPARK 生物传感器，发现基线时 PKA-SPARK 在 Trio - 神经元中信号高，在 Trio + 神经元中信号低；而 ERK-SPARK 信号则相反。当升高 RAF 活性时，ERK-SPARK 仅在 Trio + 域出现荧光点，表明高 PKA 信号的 Trio - 域可阻断 RAFgof依赖的 ERK 信号传导，低 PKA 信号的 Trio + 域则允许其传导。此外，抑制 PKA 后，Kenyon 细胞中 ERK-SPARK 荧光点显著增加，说明 PKA 在基线条件下限制了 ERK 信号传导。
- Kenyon 细胞中升高的 RAF 功能扩展 PKA 信号传导域：研究人员利用 ERK 突变体（rolled1）和表达 PKA-SPARK 的果蝇进行实验，发现rolled1突变体对 PKA-SPARK 信号无明显影响，表明 ERK 功能不位于 PKA 信号上游。而 RAFgof能使 Trio + 域的 PKA-SPARK 信号显著升高，在 Trio - 域则无明显变化，这意味着增加的 RAF 功能足以促进低基线 PKA 信号区域的 PKA 信号传导，但对高基线 PKA 信号区域无效。
- RAF 激活和 PKA 抑制协同升高 ERK 信号传导：研究人员同时使用 RAFgof和 PKAr * 进行实验，发现二者协同作用下，Trio + 域的 ERK-SPARK 荧光点显著增大，Trio - 域也诱导出大量荧光点。通过量化分析，发现与单独处理相比，联合处理使 ERK-SPARK 荧光点数量和大小都显著增加，这强烈表明 PKA 在 RAF 功能下游的基线条件下限制 ERK 信号传导。
- 增强的电路活动促进电路局部激酶信号传导：研究人员使用转基因工具 NaChBac 来增强 Kenyon 细胞的兴奋性。结果显示，NaChBac 使 Trio + 域的 PKA-SPARK 荧光点数量增加，Trio - 域的荧光点增大；同时，NaChBac 使 Trio + 和 Trio - 域的 ERK-SPARK 荧光点数量都显著增加。这表明增强的神经元活动可分别在不同的 Kenyon 细胞域中升高 PKA 和 ERK 信号传导。
- 条件性热遗传 TRPA1 电路活动升高激酶信号传导：研究人员利用温度敏感的 TRPA1 通道，在不同温度条件下对果蝇进行处理。结果发现，TRPA1 激活后，Trio - 域的 PKA-SPARK 荧光点增大，Trio + 域的荧光点数量增加；同时，Trio + 和 Trio - 域的 ERK-SPARK 荧光点数量和大小都显著增加。这说明 TRPA1 诱导的活动可在不同的 Kenyon 细胞域中差异地升高 PKA 和 ERK 信号传导。
- 增强的活动和 PKA 抑制协同升高 ERK 信号传导：研究人员将 NaChBac 与 PKAr联合使用，发现二者协同作用下，Trio + 和 Trio - 域的 ERK 信号传导都进一步增强。同样，将 TRPA1 与 PKAr联合使用，也得到了类似的结果。这表明 PKA 在增强的神经元活动背景下限制 ERK 信号传导。
- 癫痫模型和 PKA 抑制协同升高 ERK 信号传导：研究人员利用 “bang-sensitive” 癫痫发作遗传模型（sesB1突变体）进行实验，发现该突变体的 PKA 和 ERK 信号都增强。当与 PKAr * 联合使用时，ERK 信号进一步升高，虽然由于变异性未达到统计学显著差异，但仍表明 PKA 功能在癫痫模型中限制 ERK 信号传导。
在讨论部分，研究人员指出 PKA 对 ERK 的限制作用在多种条件下都存在，这一作用可能与 RAF 的磷酸化有关。同时，Trio 蛋白可能是调节激酶信号传导的潜在因子。此外，研究还建立了活动依赖的 PKA 和 ERK 调节框架，发现不同 Kenyon 细胞类群在学习记忆中的作用复杂，未来需要进一步研究。对于癫痫模型，虽然激酶信号增强与癫痫的关系尚不清楚，但未来可通过测试癫痫模型中 Kenyon 细胞的兴奋性来深入探究。最后，研究人员计划进一步研究 Ca2+/ 钙调蛋白依赖性蛋白激酶 II（CaMKII）和 Meng-Po 激酶（SH3 结构域结合激酶 1；SBK1）与 PKA 和 ERK 的相互作用，以更好地理解神经信号传导机制，为限制癫痫易感性和改善学习记忆性能提供理论基础。
总的来说，这项研究通过深入探究 PKA 和 ERK 在学习记忆相关神经元中的信号传导关系，揭示了大脑神经信号传导的重要机制，为神经科学领域的研究提供了新的视角和方向。其研究结果不仅有助于我们理解正常的学习和记忆过程，还为相关神经系统疾病的研究和治疗提供了潜在的靶点和理论依据 。
