神经元上不寻常的簇是激活基因转录的钙信号“热点”，允许神经元产生关键蛋白质。
30 年来，在海马（大脑的一部分）神经元细胞体上发现的神秘蛋白质簇让 James Trimmer 既感兴趣又困惑。
现在，加州大学戴维斯分校医学院的杰出生理学和膜生物学教授或许终于有了答案。 在发表在一项新研究中 PNAS、Trimmer 和他的同事们发现，这些蛋白质簇是神经元中钙信号传导的“热点”，在激活基因转录中起着至关重要的作用。
转录允许部分神经元 的DNA 被“转录”成 RNA 然后用于制造细胞所需的蛋白质。
在许多动物中发现的结构
Trimmer 的实验室研究小鼠体内的神秘簇，但它们存在于无脊椎动物和所有脊椎动物中——包括人类。 Trimmer 估计单个神经元上可以有 50 到 100 个这样的大簇。
他和他的同事知道这些簇是由一种蛋白质形成的，这种蛋白质使钾离子穿过膜（钾通道）。 他们还知道这些簇包含一种特殊类型的钙通道。 钙通道允许钙进入细胞，在那里它根据细胞的类型触发各种生理反应。
加州大学戴维斯分校医学院 Trimmer 实验室的研究人员发现，在神经元上发现的神秘蛋白质簇是钙信号“热点”，可激活基因转录，使神经元产生关键蛋白质。 这一发现可能有助于对“热点”在大脑功能中的作用进行新的研究，并可能导致新的治疗方法。
“这些簇在神经元中的存在是高度保守的，”特里默说。 高度保守的特征在进化时间尺度上相对不变，这表明它们在这些非常不同类型的动物中具有重要的功能特性。
海马体是大脑中神经元上发现簇的区域之一，在学习和记忆中起着重要作用。 研究人员知道，对这些簇的破坏——例如，钾通道中的基因突变——会导致严重的神经系统疾病。 但不清楚为什么。
“我们早就知道其他类型的离子通道簇的功能，例如突触中的那些。 然而，细胞体上的这些更大的结构在神经元的生理学中没有已知的作用，”特里默说。
“许多研究都集中在树突中的钙信号上。 现在我们对神经元细胞体上这些特定位点信号的重要性有了更多的了解。” — 尼古拉斯 C.维拉
实验用“诱饵”淹没钙通道
揭示神经元簇功能的实验是由 Trimmer 实验室的博士后研究员、该研究的主要作者 Nicholas C. Vierra 设计的。
“我们开发了一种方法，可以让我们将钙通道与神经元中的钾通道簇分离。 一个关键发现是这种治疗阻断了钙触发的基因表达。 这表明这些簇中的钙通道-钾通道伙伴关系对神经元功能很重要，”Vierra 说。
在他们的实验中，研究人员通过用诱饵钾通道片段淹没神经元来“欺骗”这些簇中的钙通道。 当钙通道抓住诱饵而不是真正的钾通道时，它们就会从簇上掉下来。
结果，将神经元电活动的变化与基因表达的变化联系起来的称为兴奋-转录耦合的过程被灭活了。
“有很多不同的钙通道，但在这些簇中发现的特定类型的钙通道对于将电活动的变化转化为基因表达的变化是必要的，”特里默说。 “我们发现，如果你干扰位于这些不寻常簇中的钙信号蛋白，你基本上可以消除兴奋-转录耦合，这对学习、记忆和其他形式的神经元可塑性至关重要。”
Trimmer 和 Vierra 希望他们的发现能够开辟新的研究途径。
“许多研究都集中在树突中的钙信号——神经元接收来自其他神经元信号的部位。 神经元细胞体中的钙信号很少受到关注，”Vierra 说。 “现在我们对神经元细胞体上这些特定位点信号的重要性有了更多的了解。”
“我们才刚刚开始了解这种信号的重要性，但这些新结果可能会提供信息，有助于对其在大脑功能中的作用进行新的研究，并可能最终推动新疗法的开发，”特里默说。
参考文献：“Kv2.1 诱导的体细胞 L 型 Ca 簇对神经元兴奋-转录偶联的调节2+ ER-PM 交界处的通道”，作者：Nicholas C. Vierra、Samantha C. O'Dwyer、Collin Matsumoto、L. Fernando Santana 和 James S. Trimmer，8 年 2021 月 XNUMX 日， 诉讼中的国家科学院院士.
DOI：10.1073 / pnas.2110094118
该研究的其他作者包括加州大学戴维斯分校医学院生理学和膜生物学系的 Samantha C. O'Dwyer、Collin Matsumoto 和 L. Fernando Santana。
这项研究由美国国立卫生研究院的奖项资助。
