传染性蛋白的“负面”和“正面”（9）

朱钦士 （美国南加州大学医学院）

（上接2018年第11 期第11 页）

3.8 Prion 型蛋白在长期记忆中的作用 记忆是神经系统发明的储存信息的机制，有了记忆，动物才能从过去的经验中学习，对于动物的生存是绝对必要的。 有些记忆只保留比较短的时间，例如用刚获知的一个新电话号码打电话，打完电话后这个号码很快就被忘记了，称为短期记忆。 有的记忆却可以保留很长时间，甚至可保留终身，例如收到大学录取通知书的时刻，求爱成功的时刻等生活中的重大事件，称为长期记忆。 但是在过去很长一段时期内，记忆的机制，特别是长期记忆的机制，却是一个谜。 许多神经细胞虽然可以终身不死，但是细胞中的成分，包括各种蛋白分子，却是不断更新的，“寿命”从几分钟到几天。 要在分子不断更新的环境中长期保留信息，似乎是一项不可能完成的任务。 但是生物用非常巧妙的方式解决了这个难题，其中就包括利用Prion 型蛋白的长期稳定性。

神经细胞的信息输出是通过细胞发出的一根纤维，称为“轴突”（axon）的结构实现的。轴突从细胞发出后，反复分支，这些分支的终端膨大，附着在其他神经细胞上，称为“突触”（synapse）。 其他神经细胞上与突触相对的区域也有特殊的结构，称为“后突触”（postsynapse）。 轴突和后轴突之间有很窄的间隙，信号从轴突到达突触时，突触分泌信号分子，称为神经递质（neurotransmitter），神经递质分子通过扩散到达后轴突， 结合在受体分子上， 就可以将信号从第1 个神经细胞传递到第2个神经细胞。

突触的功能是可以被调节的， 如果第3 个神经细胞发出的突触不是与第2 个神经细胞接触，而是与第1 个神经细胞的轴突联系，就会形成“轴突上的轴突”，第3 个神经细胞发出的信号可以通过它的轴突影响第1 个神经细胞的轴突， 使第1个神经细胞的轴突发给第2 个神经细胞的信号发生变化。

通过这样的结构，记忆就可以形成，且只需要上面所说的3 个神经细胞。 这是由奥地利裔美国科学家Eric Richard Kandel 在对海兔（Aplysia）的研究中发现的。 Kandel 发现， 轻触海兔的吸水管时，海兔会将自己的鳃缩回，称为缩鳃反应，其中的机制也很简单： 吸水管被触动时的信号被第1个神经细胞感知，这个细胞是感知信号的，所以称为感觉神经细胞，在这里被称为神经细胞1。 神经细胞将信号传给控制缩鳃反应的神经细胞， 使被其控制的肌肉细胞收缩，使海兔的鳃缩回，这个细胞由于控制海兔的肌肉运动，称为运动神经细胞，在这里称为神经细胞2。 这2 个细胞就完成了海兔在吸水管被触动时缩鳃的反射动作。

如果在触动吸水管的同时给海兔的尾部一个电击，缩鳃反应就更加强烈，鳃缩进的时间也更长。而且海兔在有了这样的经验后，在没有电击的情况下，只触动吸水管，也会有更强的缩鳃反应，好像海兔“记住”了吸水管被触动和尾部被电击之间的关系。 这是典型的“巴甫洛夫”式的“学习”过程，即记住2 个事件之间的联系（例如听见铃声就给食物，狗就会在只听见铃声， 没有食物的情况下分泌唾液）。Kandel 发现，这是由于感受尾部电击的神经细胞（神经细胞3）发出的轴突连在神经细胞1 发出的轴突上，神经细胞3 发出的信号使神经细胞1 的轴突功能增强的缘故。功能增强的神经细胞1 的轴突能自己维持增强状态一段时间， 在这段时间内，即使没有受到电击，触动吸水管时神经细胞1 发给神经细胞2 的信号都比以前要强， 好像尾部也受到电击一样，总的效果就好像是海兔“记住”了尾部电击的事件， 或者说尾部电击的信息以神经细胞1 轴突增强的方式被储存起来了。

从分子机制上说， 在尾部受到电击时神经细胞3 会在其轴突上释放神经递质血清素（serotonin）。血清素能激活感觉神经细胞突触内的腺苷酸环化酶（adenylyl cyclase），增加神经细胞1 突触内环腺苷酸cAMP 的浓度，cAMP 又会激活依赖于cAMP 的蛋白激酶A（PKA），PKA 能将突触处细胞膜上的钾离子通道磷酸化， 使突触内钾离子流向突触外的过程受阻碍， 使得感觉细胞的动作电位更强和维持更长时间， 让更多的神经递质谷氨酸盐被释放到突触间隙中，增强运动神经细胞（神经细胞2）的反应，即在运动神经细胞中诱导更强的动作电位，使得缩鳃的程度更强、时间更长。 不用电击， 直接在细胞神经细胞1 的突触上施加血清素，也有同样的效果。

一次电击所造成的神经细胞1 的突触强化只能维持数分钟，称为短期记忆（short-term memory）。短期记忆只需要PKA 的活化和一些现成蛋白（例如钾离子通道）的磷酸化，因此不需要合成新的蛋白质。 在cAMP 被逐渐降解，浓度降低后，一切又恢复到强化前的状态。

但是，如果条件反射训练（在刺激吸水管的同时在尾部进行电击）被重复多次，感觉神经细胞的突触就会被长期强化，可以保持1 周以上，称为长期记忆（long-term memory）。 长期记忆涉及突触结构和成分的改变，需要新的蛋白合成。从分子水平上讲， 连续的血清素刺激会使吸水管感觉神经细胞突触内的cAMP 浓度持续升高，使得PKA 的活性也持续升高。 PKA 可使“cAMP 反应序列结合蛋白”（cAMP response element binding protein，CREB）磷酸化而将其活化， 活化了的CREB 作为转录活化因子，可以结合在有关基因的启动子上，启动这些基因的表达。 这些基因中包括“CCAAT 增强子结合蛋白”（CCAAT enhancer binding perotein，C/EBP）。 C/EBP 是一个转录因子， 又能启动第2波的基因表达。 这些新表达的基因能固定突触的强化， 还会在感觉神经细胞和运动神经细胞之间形成新的突触连接，从而形成长期记忆。

但每个分子的寿命都不长， 轴突的长期强化是怎样维持的？ 这就需要一个能长期使这个轴突合成有关蛋白的机制。另一个问题是，一个神经细胞可以发出多个突触， 一些突触的强化是否也会使这个细胞发出的其他突触也被强化？换句话说，信息是只储存在传输特定信号所使用的突触中，还是发出这个突触的整个神经细胞都与信息储存有关？为了弄清这个问题，Kandel 使用了海蜗牛输出信号的神经纤维有分支的感觉神经细胞， 每个分支通过突触连接到不同的运动神经细胞上。 如果只在其中的一个突触上施加血清素， 那就只有这个突触被强化，且强化状态可以保持1 天以上，而其余的突触不受影响。 这说明同一个神经细胞上的不同突触是可以分别被强化的， 信息只储存在通过使用（传输信息）被强化的突触上。

但是长期记忆需要基因转录和蛋白合成，而基因转录是在细胞体中进行的，生成的mRNA 原则上可以到达神经细胞的任何突触， 转译成蛋白质，强化所有的突触，细胞是怎样做到只强化传输某种特定信息的突触？ 答案就在于这些mRNA 合成后，并不会直接被转译成为蛋白，而是处于休眠状态，只有在结合一种称为“细胞质多腺苷酸化序列结合蛋白”（cytoplasmic polyadenylation element binding protein，CPEB）的蛋白分子后，mRNA 尾部的多腺苷酸序列才能被延长，这样的mRNA 才会被转译为蛋白质。

奇怪的是，CPEB 蛋白单体并没有这样的功能，只有在改变肽链折叠状况，形成Prion 型的结构时，才具有使休眠的mRNA 被转译为蛋白质的功能。 类似酵母细胞的Prion 型蛋白Sup35 和Reb2 （见文章第2 部分），CPEB 蛋白的氨基端也富含谷氨酰胺残基， 能形成横向β-折叠并聚合。此聚合物能结合硫黄素T，使其发出的荧光增强，且发射光谱的峰值移至482 nm，证明CPEB 聚合形成的是Prion 型的结构。 专门识别聚合状态的CPEB 的抗体，在被注射进入神经细胞时，不影响短期记忆， 却抑制长期记忆， 说明Prion 状态的CPEB 才能活化mRNA，使其转译成为蛋白质。

CPEB 在神经细胞中的浓度很低，但是在已经被短期强化的突触处， 连续的血清素刺激会解除miRNA-22（一种微RNA）对CPEB mRNA 转录为蛋白质的抑制， 使CPEB 在这个突触处的局部浓度升高，从而使得CPEB 改变分子结构，形成Prion型的结构， 这就保证了为强化突触所需的mRNA只在已经被短期强化的突触中被转译为蛋白质，也使短期强化能转化为长期强化， 使短期记忆变为长期记忆。 而在其他与这个信息储存无关的轴突中，由于CPEB 的浓度很低，无法形成Prion 型的结构，即使它们属于同一个神经细胞，也不会被强化。

Prion 型的CPEB 是高度稳定的，甚至在10%的十二烷基磺酸钠（SDS）中被煮沸5 min 也不会解聚。 这样Prion 型的CPEB 也就作为长期记忆的“元件”， 在需要维持强化状态的轴突中长期存在，这就是长期记忆的秘密。人类能终身记住一些事件， 靠的就是Prion 型蛋白的稳定性。 由于Kandel 在记忆机制研究上的重要贡献， 他获得2000年的诺贝尔生理学或医学奖。

生物利用Prion 型的蛋白形成长期储存信息的机制如此巧妙， 这样的机制也被果蝇甚至哺乳动物所使用。 果蝇的Orb2 蛋白和海兔的CPEB 蛋白高度相似，也能结合在mRNA 分子上，影响其转译。其氨基端也富含谷氨酰胺残基，很容易转变肽链折叠状况而形成Prion 型的结构。 由Orb2 蛋白形成的聚合物也高度稳定，能在SDS 溶液中被煮沸而不会解聚。 这样的聚合物结合硫黄素T，能被针对聚合状态Orb2 的抗体所识别，光谱分析也证明聚合物含有横向β-折叠的结构， 说明Orb2的聚合物也具有Prion 型的结构。

敲除Orb2 基因， 或者除去Orb2 蛋白的氨基端而使其不能变为Prion 型的结构，都会影响果蝇的长期记忆。单体的Orb2 蛋白会缩短mRNA 尾部的多腺苷酸序列，使mRNA 分子变得不稳定而被降解。 而Prion 型的Orb2 蛋白能延长mRNA 分子尾部的多腺苷酸序列， 增加mRNA 分子的稳定性，并被转录成为蛋白质。

在小鼠中，CPEB3 蛋白与海兔的CPEB 蛋白和果蝇的Orb2 蛋白高度相似，其氨基端富含谷氨酰胺残基，能聚合成为抵抗SDS 的聚合物。 像以上2 个蛋白一样， 小鼠的CPEB3 在单体状态是mRNA 分子转译的抑制物，而在变为Prion 型的结构后，转变成为mRNA 转译的活化物。 小鼠经过学习过程（例如水迷宫、电击所引起的恐惧等）后，与记忆密切相关的海马区（hippocampus）CPEB3的聚合物增多，与小鼠形成长期记忆相符。敲除小鼠海马区的CPEB3 基因，小鼠的长期记忆受到损坏，但短期记忆和行为不受影响。

这些事实说明，从低等动物到高等动物，CPEB蛋白的Prion 状态都被作为长期记忆的“元件”，且像假单胞杆菌的RepA 蛋白一样，CPEB 蛋白也有2种分子结构和2 种生理功能。 单体的RepA 分子促进质粒的复制，Prion 型的RepA 抑制质粒的复制；单体的CPEB 蛋白抑制mRNA 分子的转译，而Prion 型的CPEB 促进mRNA 分子的转译。

（待续）