Sci Adv | 考前为什么记忆力爆炸强？可能是这个信号通路被频繁激活了

https://mp.weixin.qq.com/2020-05-27

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还记得考试前夕秉烛夜读的身影吗？回想自己记忆力的巅峰时刻，大概就是大学考试前 2/3 天了吧... ... 你有没有想过为什么那个阶段你的短时记忆里爆棚？韩国神经生物学家 Won Do Heo 为您揭晓这里面可能的信号通路。

原文信息

导读

韩国国家科学技术研究院（KAIST）的生物学教授 Won Do Heo 在 Science Advances 发表题为「Dynamic Fas signaling network regulates neural stem cell proliferation and memory enhancement」的文章，研究揭示了 动态 Fas 信号网络调控神经干细胞增殖和记忆增强的分子机制，重复动态激活 Fas 信号网络可以诱导小鼠空间工作记忆的一过性增加，而不是永久增加。

在详细介绍这项研究之前，再给大家恶补一下该研究涉及到的一些基础知识：

Fas 受体属于肿瘤坏死因子受体超家族，其成员作为死亡受体发挥着众所周知的作用，负责启动外源性凋亡途径；Fas 诱导的非凋亡信号经常出现在病变的大脑中，Fas 的过度表达见于各种神经疾病，如炎症性疾病、神经退行性疾病和脑缺血，Fas 下游成分的激活方式存在争议。

光遗传学：光遗传学（optogenetics）是结合了光学（optics）及遗传学（genetics）的技术。借助它，人们能在活体动物甚至是自由运动的动物脑内、脊髓、外周神经内，精准地控制特定种类神经元的活动。其基本原理是借助遗传学手段，将能够对光起响应的通道表达在特定细胞中，实现通过光来激活或抑制神经元活动的目标。该技术在神经科学领域应用非常广泛，如帕金森氏病、阿尔茨海默病、癫痫、脊髓损伤、精神分裂症等。

研究内容

光遗传激活的 Fas 受体的研究进展

团队开发了一个由膜锚定序列 (Lyn)、Fas 胞质结构域 (CyFAS)、隐花色素 - 2 的 PHR 结构域 (CRY2PHR) 和增强型绿色荧光蛋白 (EGFP) 组成的光遗传学可激活的 FAS 模块 (OptoFAS)，如下图：

OptoFAS

利用 CRY2PHR 对蓝光的同位齐聚能力激活克隆的受体，并转染到 HeLa 细胞系中，发现 OptoFAS 分子能成功诱导 HeLa 细胞系凋亡。下图示 OptoFAS 和未激活的 OptoFAS（缺少 CRY2PHR）分子在光下 0-8 h HeLa 细胞系凋亡情况。可见明显差别。对于激活的 OptoFAS 来说，未照光情况下也不具备诱导凋亡能力。

光遗传学激活揭示海马齿状回内动态 Fas 信号网络

为了研究脑内 Fas 信号在认知和记忆过程中的动态变化，团队将腺病毒载体（AAV）注射到 8 周龄大的小鼠海马齿状回（DG）。3 周后 DG 中的未成熟神经元出现特异性表达。

Fas 激活对未成熟神经元分泌脑源性神经营养因子的影响

为了确定在未成熟神经元中 mTOR 的激活和神经干细胞中 Erk 的激活之间的一些中介因素，研究者们检查了三个已知有助于调节神经干细胞群体的候选分子。结果发现：光照后 OptoFas 转导的 DIV-6 神经元脑源性营养因子 mRNA 表达逐渐增加。说明了光照后 FAS 动态网络就像为神经元充了电，促进其生长。

重复激活 Fas 诱导成年海马神经发生

为了进一步验证团队发现的 Fas 信号网络能否诱导神经干细胞的增殖，用 5 - 溴 - 2'- 脱氧尿嘧啶核苷（BrdU）腹腔注射 OptoFas 或 GFP 基因转染的 10 周龄小鼠，并暴露于光刺激下。

结果发现：重复光刺激 OptoFas 转导的 DG 可诱导神经干细胞增殖，表现为 BrdU + 细胞增加，如上图红色焦点，随光照时间延长，红点代表的 BrdU + 越多，说明神经干细胞数量因增殖而变多。

动态 Fas 信号网络的重复激活能增加空间记忆

接下来，到了本研究最关键的部分，探究动态 FAS 信号网络激活能否增强记忆。为此，团队努力找寻其与海马记忆相关部分的关系。

通过对转导了 OptoFas 或 GFP 的小鼠进行了 Y 迷宫测试，并监测了光刺激下自发改变行为的变化。单轮 4 小时的光刺激未发现明显行为改变。但重复刺激（5 轮）行为后出现显著改变。

令人感到奇怪的是，在重复光刺激后 7 天、14 天和 28 天的小鼠未发生明显的改变加重，这意味着这种行为自发改变是短暂的。

那么，上述自发行为改变是不是通过动态 Fas 信号网络介导的呢？为了保险起见，团队使用了雷帕霉素和 ANA-12 分别阻断 mTOR 通路和 BDNF/TrkB 信号通路（文章前后有提到），小鼠自发行为改变均消失；进入 Y 迷宫的小鼠数量在各实验组之间没有显著差异。

综上所述，该研究结果表明，重复动态激活 Fas 信号网络可以诱导小鼠空间工作记忆的一过性增加，而不是永久增加。

亮点总结

光遗传学技术优势

1、时间精确度高：光遗传技术可以通过控制激光使时间精准度到毫秒级别甚至是亚毫秒级；

2、刺激的强度精确性高：光遗传技术通过控制激光，可以精准地、随时地调节给神经元刺激的强度，这对于某些刺激强度依赖的神经环路研究有不可替代的优势；

3、空间特异性：光遗传学技术可以通过脑定位注射、特异性启动子、甚至是亚细胞器定位肽，将光敏感蛋白锚定在靶向细胞或细胞器进行操作，可达到单个细胞的级别，实现精准定位；

4、作用工具多样：目前人们已经突变了一系列新的光敏感通道，这些通道的时间特性和激发光要求都不同，可根据具体的实验需求进行选择；

5、作用直接：不像 DREADDs 技术依赖于动物代谢水平，光遗传学技术通过激光操控细胞的激活或抑制，作用直接。

作者简介

这篇文章发表在 Science Advances（IF= 12.804）的文章，本文的通讯作者是来自韩国国家科学技术研究院（KAIST）的生物学教授 Won Do Heo，他同时也是该研究院神经科学的研究员。他的研究领域包括植物生物学，细胞生物学，细胞信号传导和神经生物学等，最主要的研究领域是光遗传学。

参考文献向上滑动阅览

1. J. E. Toettcher, et al. Using optogenetics to interrogate the dynamic control ofsignal transmission by the Ras/Erk module. Cell 155, 1422–1434 (2013).

2. L. J. Bugaj, et al. Cancer mutations and targeted drugs can disrupt dynamic signal encoding by the Ras-Erk pathway. Science 361, eaao3048 (2018).

3. H. Wajant, The Fas signaling pathway: More than a paradigm. Science 296, 1635-1636(2002).

4. A. Reich, et al. Death receptor Fas (CD95) signaling in the central nervous system: Tuning neuroplasticity? Trends Neurosci. 31, 478–486 (2008).

5. C. Choi, et al. Fas ligand/Fas system in the brain: Regulator of immune and apoptotic responses. Brain Res. Brain Res. Rev. 44, 65–81 (2004).

6.Seokhwi Kim et al. Dynamic Fas signaling network regulates neural stem cell proliferation and memory enhancement. Science Advances. Vol. 6, no. 17, eaaz9691( 2020).

题图来源：站酷海洛 plus