傳染性蛋白的“負(fù)面”和“正面”（9）

朱欽士 （美國(guó)南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院）

（上接2018年第11 期第11 頁(yè)）

3.8 Prion 型蛋白在長(zhǎng)期記憶中的作用 記憶是神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)明的儲(chǔ)存信息的機(jī)制，有了記憶，動(dòng)物才能從過去的經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，對(duì)于動(dòng)物的生存是絕對(duì)必要的。 有些記憶只保留比較短的時(shí)間，例如用剛獲知的一個(gè)新電話號(hào)碼打電話，打完電話后這個(gè)號(hào)碼很快就被忘記了，稱為短期記憶。 有的記憶卻可以保留很長(zhǎng)時(shí)間，甚至可保留終身，例如收到大學(xué)錄取通知書的時(shí)刻，求愛成功的時(shí)刻等生活中的重大事件，稱為長(zhǎng)期記憶。 但是在過去很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，記憶的機(jī)制，特別是長(zhǎng)期記憶的機(jī)制，卻是一個(gè)謎。 許多神經(jīng)細(xì)胞雖然可以終身不死，但是細(xì)胞中的成分，包括各種蛋白分子，卻是不斷更新的，“壽命”從幾分鐘到幾天。 要在分子不斷更新的環(huán)境中長(zhǎng)期保留信息，似乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。 但是生物用非常巧妙的方式解決了這個(gè)難題，其中就包括利用Prion 型蛋白的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

神經(jīng)細(xì)胞的信息輸出是通過細(xì)胞發(fā)出的一根纖維，稱為“軸突”（axon）的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。軸突從細(xì)胞發(fā)出后，反復(fù)分支，這些分支的終端膨大，附著在其他神經(jīng)細(xì)胞上，稱為“突觸”（synapse）。 其他神經(jīng)細(xì)胞上與突觸相對(duì)的區(qū)域也有特殊的結(jié)構(gòu)，稱為“后突觸”（postsynapse）。 軸突和后軸突之間有很窄的間隙，信號(hào)從軸突到達(dá)突觸時(shí)，突觸分泌信號(hào)分子，稱為神經(jīng)遞質(zhì)（neurotransmitter），神經(jīng)遞質(zhì)分子通過擴(kuò)散到達(dá)后軸突， 結(jié)合在受體分子上， 就可以將信號(hào)從第1 個(gè)神經(jīng)細(xì)胞傳遞到第2個(gè)神經(jīng)細(xì)胞。

突觸的功能是可以被調(diào)節(jié)的， 如果第3 個(gè)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出的突觸不是與第2 個(gè)神經(jīng)細(xì)胞接觸，而是與第1 個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的軸突聯(lián)系，就會(huì)形成“軸突上的軸突”，第3 個(gè)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出的信號(hào)可以通過它的軸突影響第1 個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的軸突， 使第1個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的軸突發(fā)給第2 個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的信號(hào)發(fā)生變化。

通過這樣的結(jié)構(gòu)，記憶就可以形成，且只需要上面所說的3 個(gè)神經(jīng)細(xì)胞。 這是由奧地利裔美國(guó)科學(xué)家Eric Richard Kandel 在對(duì)海兔（Aplysia）的研究中發(fā)現(xiàn)的。 Kandel 發(fā)現(xiàn)， 輕觸海兔的吸水管時(shí)，海兔會(huì)將自己的鰓縮回，稱為縮鰓反應(yīng)，其中的機(jī)制也很簡(jiǎn)單： 吸水管被觸動(dòng)時(shí)的信號(hào)被第1個(gè)神經(jīng)細(xì)胞感知，這個(gè)細(xì)胞是感知信號(hào)的，所以稱為感覺神經(jīng)細(xì)胞，在這里被稱為神經(jīng)細(xì)胞1。 神經(jīng)細(xì)胞將信號(hào)傳給控制縮鰓反應(yīng)的神經(jīng)細(xì)胞， 使被其控制的肌肉細(xì)胞收縮，使海兔的鰓縮回，這個(gè)細(xì)胞由于控制海兔的肌肉運(yùn)動(dòng)，稱為運(yùn)動(dòng)神經(jīng)細(xì)胞，在這里稱為神經(jīng)細(xì)胞2。 這2 個(gè)細(xì)胞就完成了海兔在吸水管被觸動(dòng)時(shí)縮鰓的反射動(dòng)作。

如果在觸動(dòng)吸水管的同時(shí)給海兔的尾部一個(gè)電擊，縮鰓反應(yīng)就更加強(qiáng)烈，鰓縮進(jìn)的時(shí)間也更長(zhǎng)。而且海兔在有了這樣的經(jīng)驗(yàn)后，在沒有電擊的情況下，只觸動(dòng)吸水管，也會(huì)有更強(qiáng)的縮鰓反應(yīng)，好像海兔“記住”了吸水管被觸動(dòng)和尾部被電擊之間的關(guān)系。 這是典型的“巴甫洛夫”式的“學(xué)習(xí)”過程，即記住2 個(gè)事件之間的聯(lián)系（例如聽見鈴聲就給食物，狗就會(huì)在只聽見鈴聲， 沒有食物的情況下分泌唾液）。Kandel 發(fā)現(xiàn)，這是由于感受尾部電擊的神經(jīng)細(xì)胞（神經(jīng)細(xì)胞3）發(fā)出的軸突連在神經(jīng)細(xì)胞1 發(fā)出的軸突上，神經(jīng)細(xì)胞3 發(fā)出的信號(hào)使神經(jīng)細(xì)胞1 的軸突功能增強(qiáng)的緣故。功能增強(qiáng)的神經(jīng)細(xì)胞1 的軸突能自己維持增強(qiáng)狀態(tài)一段時(shí)間， 在這段時(shí)間內(nèi)，即使沒有受到電擊，觸動(dòng)吸水管時(shí)神經(jīng)細(xì)胞1 發(fā)給神經(jīng)細(xì)胞2 的信號(hào)都比以前要強(qiáng)， 好像尾部也受到電擊一樣，總的效果就好像是海兔“記住”了尾部電擊的事件， 或者說尾部電擊的信息以神經(jīng)細(xì)胞1 軸突增強(qiáng)的方式被儲(chǔ)存起來了。

從分子機(jī)制上說， 在尾部受到電擊時(shí)神經(jīng)細(xì)胞3 會(huì)在其軸突上釋放神經(jīng)遞質(zhì)血清素（serotonin）。血清素能激活感覺神經(jīng)細(xì)胞突觸內(nèi)的腺苷酸環(huán)化酶（adenylyl cyclase），增加神經(jīng)細(xì)胞1 突觸內(nèi)環(huán)腺苷酸cAMP 的濃度，cAMP 又會(huì)激活依賴于cAMP 的蛋白激酶A（PKA），PKA 能將突觸處細(xì)胞膜上的鉀離子通道磷酸化， 使突觸內(nèi)鉀離子流向突觸外的過程受阻礙， 使得感覺細(xì)胞的動(dòng)作電位更強(qiáng)和維持更長(zhǎng)時(shí)間， 讓更多的神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸鹽被釋放到突觸間隙中，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)細(xì)胞（神經(jīng)細(xì)胞2）的反應(yīng)，即在運(yùn)動(dòng)神經(jīng)細(xì)胞中誘導(dǎo)更強(qiáng)的動(dòng)作電位，使得縮鰓的程度更強(qiáng)、時(shí)間更長(zhǎng)。 不用電擊， 直接在細(xì)胞神經(jīng)細(xì)胞1 的突觸上施加血清素，也有同樣的效果。

一次電擊所造成的神經(jīng)細(xì)胞1 的突觸強(qiáng)化只能維持?jǐn)?shù)分鐘，稱為短期記憶（short-term memory）。短期記憶只需要PKA 的活化和一些現(xiàn)成蛋白（例如鉀離子通道）的磷酸化，因此不需要合成新的蛋白質(zhì)。 在cAMP 被逐漸降解，濃度降低后，一切又恢復(fù)到強(qiáng)化前的狀態(tài)。

但是，如果條件反射訓(xùn)練（在刺激吸水管的同時(shí)在尾部進(jìn)行電擊）被重復(fù)多次，感覺神經(jīng)細(xì)胞的突觸就會(huì)被長(zhǎng)期強(qiáng)化，可以保持1 周以上，稱為長(zhǎng)期記憶（long-term memory）。 長(zhǎng)期記憶涉及突觸結(jié)構(gòu)和成分的改變，需要新的蛋白合成。從分子水平上講， 連續(xù)的血清素刺激會(huì)使吸水管感覺神經(jīng)細(xì)胞突觸內(nèi)的cAMP 濃度持續(xù)升高，使得PKA 的活性也持續(xù)升高。 PKA 可使“cAMP 反應(yīng)序列結(jié)合蛋白”（cAMP response element binding protein，CREB）磷酸化而將其活化， 活化了的CREB 作為轉(zhuǎn)錄活化因子，可以結(jié)合在有關(guān)基因的啟動(dòng)子上，啟動(dòng)這些基因的表達(dá)。 這些基因中包括“CCAAT 增強(qiáng)子結(jié)合蛋白”（CCAAT enhancer binding perotein，C/EBP）。 C/EBP 是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子， 又能啟動(dòng)第2波的基因表達(dá)。 這些新表達(dá)的基因能固定突觸的強(qiáng)化， 還會(huì)在感覺神經(jīng)細(xì)胞和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)細(xì)胞之間形成新的突觸連接，從而形成長(zhǎng)期記憶。

但每個(gè)分子的壽命都不長(zhǎng)， 軸突的長(zhǎng)期強(qiáng)化是怎樣維持的？ 這就需要一個(gè)能長(zhǎng)期使這個(gè)軸突合成有關(guān)蛋白的機(jī)制。另一個(gè)問題是，一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞可以發(fā)出多個(gè)突觸， 一些突觸的強(qiáng)化是否也會(huì)使這個(gè)細(xì)胞發(fā)出的其他突觸也被強(qiáng)化？換句話說，信息是只儲(chǔ)存在傳輸特定信號(hào)所使用的突觸中，還是發(fā)出這個(gè)突觸的整個(gè)神經(jīng)細(xì)胞都與信息儲(chǔ)存有關(guān)？為了弄清這個(gè)問題，Kandel 使用了海蝸牛輸出信號(hào)的神經(jīng)纖維有分支的感覺神經(jīng)細(xì)胞， 每個(gè)分支通過突觸連接到不同的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)細(xì)胞上。 如果只在其中的一個(gè)突觸上施加血清素， 那就只有這個(gè)突觸被強(qiáng)化，且強(qiáng)化狀態(tài)可以保持1 天以上，而其余的突觸不受影響。 這說明同一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞上的不同突觸是可以分別被強(qiáng)化的， 信息只儲(chǔ)存在通過使用（傳輸信息）被強(qiáng)化的突觸上。

但是長(zhǎng)期記憶需要基因轉(zhuǎn)錄和蛋白合成，而基因轉(zhuǎn)錄是在細(xì)胞體中進(jìn)行的，生成的mRNA 原則上可以到達(dá)神經(jīng)細(xì)胞的任何突觸， 轉(zhuǎn)譯成蛋白質(zhì)，強(qiáng)化所有的突觸，細(xì)胞是怎樣做到只強(qiáng)化傳輸某種特定信息的突觸？ 答案就在于這些mRNA 合成后，并不會(huì)直接被轉(zhuǎn)譯成為蛋白，而是處于休眠狀態(tài)，只有在結(jié)合一種稱為“細(xì)胞質(zhì)多腺苷酸化序列結(jié)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長(zhǎng)，這樣的mRNA 才會(huì)被轉(zhuǎn)譯為蛋白質(zhì)。

奇怪的是，CPEB 蛋白單體并沒有這樣的功能，只有在改變肽鏈折疊狀況，形成Prion 型的結(jié)構(gòu)時(shí)，才具有使休眠的mRNA 被轉(zhuǎn)譯為蛋白質(zhì)的功能。 類似酵母細(xì)胞的Prion 型蛋白Sup35 和Reb2 （見文章第2 部分），CPEB 蛋白的氨基端也富含谷氨酰胺殘基， 能形成橫向β-折疊并聚合。此聚合物能結(jié)合硫黃素T，使其發(fā)出的熒光增強(qiáng)，且發(fā)射光譜的峰值移至482 nm，證明CPEB 聚合形成的是Prion 型的結(jié)構(gòu)。 專門識(shí)別聚合狀態(tài)的CPEB 的抗體，在被注射進(jìn)入神經(jīng)細(xì)胞時(shí)，不影響短期記憶， 卻抑制長(zhǎng)期記憶， 說明Prion 狀態(tài)的CPEB 才能活化mRNA，使其轉(zhuǎn)譯成為蛋白質(zhì)。

CPEB 在神經(jīng)細(xì)胞中的濃度很低，但是在已經(jīng)被短期強(qiáng)化的突觸處， 連續(xù)的血清素刺激會(huì)解除miRNA-22（一種微RNA）對(duì)CPEB mRNA 轉(zhuǎn)錄為蛋白質(zhì)的抑制， 使CPEB 在這個(gè)突觸處的局部濃度升高，從而使得CPEB 改變分子結(jié)構(gòu)，形成Prion型的結(jié)構(gòu)， 這就保證了為強(qiáng)化突觸所需的mRNA只在已經(jīng)被短期強(qiáng)化的突觸中被轉(zhuǎn)譯為蛋白質(zhì)，也使短期強(qiáng)化能轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)期強(qiáng)化， 使短期記憶變?yōu)殚L(zhǎng)期記憶。 而在其他與這個(gè)信息儲(chǔ)存無(wú)關(guān)的軸突中，由于CPEB 的濃度很低，無(wú)法形成Prion 型的結(jié)構(gòu)，即使它們屬于同一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，也不會(huì)被強(qiáng)化。

Prion 型的CPEB 是高度穩(wěn)定的，甚至在10%的十二烷基磺酸鈉（SDS）中被煮沸5 min 也不會(huì)解聚。 這樣Prion 型的CPEB 也就作為長(zhǎng)期記憶的“元件”， 在需要維持強(qiáng)化狀態(tài)的軸突中長(zhǎng)期存在，這就是長(zhǎng)期記憶的秘密。人類能終身記住一些事件， 靠的就是Prion 型蛋白的穩(wěn)定性。 由于Kandel 在記憶機(jī)制研究上的重要貢獻(xiàn)， 他獲得2000年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

生物利用Prion 型的蛋白形成長(zhǎng)期儲(chǔ)存信息的機(jī)制如此巧妙， 這樣的機(jī)制也被果蠅甚至哺乳動(dòng)物所使用。 果蠅的Orb2 蛋白和海兔的CPEB 蛋白高度相似，也能結(jié)合在mRNA 分子上，影響其轉(zhuǎn)譯。其氨基端也富含谷氨酰胺殘基，很容易轉(zhuǎn)變肽鏈折疊狀況而形成Prion 型的結(jié)構(gòu)。 由Orb2 蛋白形成的聚合物也高度穩(wěn)定，能在SDS 溶液中被煮沸而不會(huì)解聚。 這樣的聚合物結(jié)合硫黃素T，能被針對(duì)聚合狀態(tài)Orb2 的抗體所識(shí)別，光譜分析也證明聚合物含有橫向β-折疊的結(jié)構(gòu)， 說明Orb2的聚合物也具有Prion 型的結(jié)構(gòu)。

敲除Orb2 基因， 或者除去Orb2 蛋白的氨基端而使其不能變?yōu)镻rion 型的結(jié)構(gòu)，都會(huì)影響果蠅的長(zhǎng)期記憶。單體的Orb2 蛋白會(huì)縮短mRNA 尾部的多腺苷酸序列，使mRNA 分子變得不穩(wěn)定而被降解。 而Prion 型的Orb2 蛋白能延長(zhǎng)mRNA 分子尾部的多腺苷酸序列， 增加mRNA 分子的穩(wěn)定性，并被轉(zhuǎn)錄成為蛋白質(zhì)。

在小鼠中，CPEB3 蛋白與海兔的CPEB 蛋白和果蠅的Orb2 蛋白高度相似，其氨基端富含谷氨酰胺殘基，能聚合成為抵抗SDS 的聚合物。 像以上2 個(gè)蛋白一樣， 小鼠的CPEB3 在單體狀態(tài)是mRNA 分子轉(zhuǎn)譯的抑制物，而在變?yōu)镻rion 型的結(jié)構(gòu)后，轉(zhuǎn)變成為mRNA 轉(zhuǎn)譯的活化物。 小鼠經(jīng)過學(xué)習(xí)過程（例如水迷宮、電擊所引起的恐懼等）后，與記憶密切相關(guān)的海馬區(qū)（hippocampus）CPEB3的聚合物增多，與小鼠形成長(zhǎng)期記憶相符。敲除小鼠海馬區(qū)的CPEB3 基因，小鼠的長(zhǎng)期記憶受到損壞，但短期記憶和行為不受影響。

這些事實(shí)說明，從低等動(dòng)物到高等動(dòng)物，CPEB蛋白的Prion 狀態(tài)都被作為長(zhǎng)期記憶的“元件”，且像假單胞桿菌的RepA 蛋白一樣，CPEB 蛋白也有2種分子結(jié)構(gòu)和2 種生理功能。 單體的RepA 分子促進(jìn)質(zhì)粒的復(fù)制，Prion 型的RepA 抑制質(zhì)粒的復(fù)制；單體的CPEB 蛋白抑制mRNA 分子的轉(zhuǎn)譯，而Prion 型的CPEB 促進(jìn)mRNA 分子的轉(zhuǎn)譯。

（待續(xù)）