作者:黄辛 来源:中国科学报 发布时间:2021/8/7 17:15:56
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背靠背研究揭示钙调蛋白乙酰化功能与调控机制

 

近日,美国生物化学与分子生物学会会刊JBC同时在线发表了华东师范大学研究员殷东敏课题组关于“钙调蛋白乙酰化的功能和调控机制”的两篇背靠背研究论文。两项研究成果已被JBC主编重点推荐。

作为神经活动的重要指标,钙离子(Ca2+)信号在神经导向生长、突触可塑性和学习记忆等过程中发挥着重要作用。钙调蛋白(CaM)是一种广泛表达于真核细胞的Ca2+传感器,在Ca2+信号转导过程中处于枢纽地位。

通过分析蛋白质乙酰化修饰的公共数据库和蛋白质谱结果,殷东敏团队发现CaM的乙酰化在中枢神经系统非常富集。具体来说,中枢神经系统中,突触后膜上的NMDA受体被激活后,引起突触后致密部的局部Ca2浓度升高,Ca2+和CaM结合并使之活化,CaM结合并激活Ca2+/CaM依赖的蛋白激酶IIa(Ca2+—CaM—CaMKIIa )。该蛋白激酶的信号通路在突触可塑性和学习记忆中起重要作用。

该课题组首先制备了针对乙酰化CaM的抗体,发现神经活动可以1分钟内快速增加CaM乙酰化的水平,这一过程依赖NMDA受体。接着,利用乙酰化蛋白标准品滴定的方法,计算出海马组织裂解液中乙酰化CaM占总CaM蛋白的比例高达6% ~7%,接近组蛋白乙酰化的水平。

借助遗传密码拓展技术,研究人员合成并纯化了定点乙酰化的CaM蛋白,发现生理性浓度Ca2+存在的条件下,乙酰化CaM比野生型CaM更能激活蛋白激酶CaMKIIa。分子动力学计算发现,乙酰化CaM比野生型CaM更容易结合蛋白激酶CaMKIIa,亲和力更高。最后,研究人员还制备出乙酰化位点突变的Cam1基因敲入小鼠,发现小鼠体内CaMKIIa活性下降,海马脑区的突触可塑性和学习记忆能力损伤。

研究并未因阶段性成果而止步,殷东敏提出一个问题:既然CaM的乙酰化在突触可塑性和学习记忆中扮演着重要角色,那么CaM的乙酰化是如何被神经活动调控的呢?

为了回答这一问题,他首先要找到负责CaM乙酰化的赖氨酸乙酰转移酶(KAT)。

通过在HEK293细胞内过表达各种KAT,课题组发现类固醇受体共激活子3(SRC3)具有最强的乙酰化CaM的能力。研究人员接着通过体外乙酰化实验证明了SRC3可以直接乙酰化CaM蛋白,并发现这一过程存在Ca2+浓度依赖。

在体实验表明,急性抑制或成年期敲除海马脑区的SRC3,可以削弱神经活动引起的Ca2+—CaM—CaMKIIa 信号通路的激活,并导致海马脑区的突触可塑性和学习记忆能力的损伤。进一步实验表明,急性抑制SRC3对突触可塑性和学习记忆能力的损伤可以被模拟乙酰化的CaM蛋白所挽救。这意味着,通过NMDA受体和Ca2+,神经活动引起SRC3对CaM乙酰化,该过程对突触可塑性和学习记忆发挥着重要作用。

课题组表示,两篇论文首次揭示了钙调蛋白乙酰化的功能及调控机制,可能对Ca2+信号转导的研究带来新的视角。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.jbc.2021.101034

https://doi.org/10.1016/j.jbc.2021.101044

 
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