介绍
轴突和树突形成神经元隔室,其功能由局部蛋白质组决定。虽然大多数研究都集中于树突中的局部蛋白质合成,但有有力证据表明,成熟大脑中的轴突和突触前终末也可以进行局部翻译(霍尔特和舒曼,2013年). 轴突可以跨越很长的长度,因此对从体细胞到远端轴突末端的蛋白质补充和传递提出了重大挑战。解决这个问题的一个方法是局部蛋白质合成,它使远程神经元室具有快速响应和适应局部线索的能力(Alvarez等人,2000年;霍尔特和舒曼,2013年). 局部翻译也具有能量效率,因为几个蛋白质可以从单个mRNA翻译。多年来,人们认为成年哺乳动物大脑中健康的轴突不能合成蛋白质,但现在有大量相反的证据(Alvarez等人,2000年;Jung等人,2012年;Biever等人,2019年;霍尔特等人,2019年).
局部轴突翻译是轴突进行损伤反应并促进轴突生长、维持和存活所必需的(威利斯和特维斯,2006年;霍尔特等人,2019年). 利用超分辨率和电子显微镜,几项研究揭示了成熟哺乳动物大脑健康突触前发作中的翻译因子和核糖体(Shigeoka等人,2016年;Younts等人,2016年;Scarnati等人,2018年;Hafner等人,2019年;Ostroff等人,2019年). 此外,在成年轴突中观察到mRNA和mRNA结合蛋白(Baleriola等人,2014年;Shigeoka等人,2016年;Akins等人,2017;Ostroff等人,2019年;2022年,星期一等). 越来越多的证据表明突触前形式的可塑性需要突触前神经束中的局部蛋白质合成(2018年,星期一等;Perrone-Capano等人,2021年). 最后,轴突mRNA定位和局部翻译的失调有助于多种脑疾病的病理生理学,包括脆性X综合征、阿尔茨海默病和运动神经元疾病(巴蒂斯塔和亨斯特,2016年;Costa和Willis,2018年;Lin等人,2021年;Perrone-Capano等人,2021年).
尽管上述证据支持成熟大脑中轴突蛋白的合成,但仍有几个问题尚不清楚,包括新合成蛋白的身份、控制轴突翻译和局部蛋白丰度的调控机制,以及最终,局部翻译如何促进突触前结构和功能的改变以改变行为。下面,我们总结了成熟大脑轴突转录组的最新进展;RNA在轴突中的加工、运输和翻译;突触可塑性和记忆中突触前蛋白的局部合成(图1).
图1。 轴突mRNA转运和突触前翻译。一个、Axon LEs。LEs可能是mRNA内在的(即序列或结构),也可能涉及修饰的碱基,如m6A。B类、轴向运输。RBP与LEs结合并形成RNA颗粒,RNA颗粒沿着微管以翻译不活跃的状态传递到突触前神经束。FMRP和TDP-43在成熟CNS轴突中mRNA的轴突运输中起着关键作用。C类,抄本-选择性本地翻译。根据刺激的性质,例如突触前活动(例如动作电位)或受体激活(例如通过内源性大麻素),特定的mRNA从RNA颗粒中释放出来并在现场翻译。翻译调控通常涉及eIF4E结合蛋白的磷酸化(cap-dependent翻译)或eIF2α(细胞应激反应翻译)。突触前形式的结构和功能可塑性需要突触前翻译,LTP和LTD分别与神经递质(NT)释放增加和减少有关。在记忆形成和巩固过程中,不同的mRNA被翻译。
成熟中枢神经系统轴突的转录组
局部翻译通常用于局限于亚细胞隔室的塑性反应,例如迁移的成纤维细胞的前缘和突触可塑性中的树突状棘(Hafner等人,2019年;Das等人,2021年). 虽然生长锥中的局部翻译已经得到了很好的确定,尤其是对指导线索的反应,但对成熟中枢神经系统轴突中局部翻译的理解花了更长的时间才出现,部分原因是早期的超微结构研究报告称成熟轴突中缺乏多核糖体(有关综述,请参阅Kim和Jung,2020年). 最近全面的RNA测序研究已将培养成熟的CNS神经元轴突中的mRNA分子编目在体外(Maciel等人,2018年;Nijssen等人,2018年); 然而,培养的神经元轴突忠实地再现轴突行为的程度仍存在问题体内.
实验证据表明,小鼠的成年特异性转录组是由选择性mRNA运输和衰变形成的(Jung等人,2023年). 轴突转录组捕获(axon-TC)方法用于分离定义明确的CNS神经元亚型视网膜神经节细胞的轴突末端中的mRNA,从而评估其轴突中RNA的数量和多样性。令人惊讶的是,年轻和年老轴突之间轴突-TC的直接比较显示,在发育和成年阶段,分配给轴突末端的RNA水平相当,占细胞体内总RNA的约4%。此外,出生后约2周,突触成熟后,mRNA储备发生了显著变化,在成年期观察到相对稳定的成分,至少在出生后6个月。这些发现表明存在一种专门针对成年期的轴突转录组。
在发育和成熟轴突中观察到的不同mRNA图谱表明,较老的mRNA会发生转换以适应新的mRNA。通过使用脉冲加酶方法结合轴突-TC,可以估计mRNA物种的相对周转率。这种方法表明,与其他方法相比,某些mRNA从轴突中去除的速度更快。一个有趣的发现是,通过轴突翻译核糖体亲和纯化(TRAP)测定,mRNA的衰变敏感性与它与核糖体的结合程度直接相关(Shigeoka等人,2016年). 这一观察结果表明,通过将mRNA翻译与衰变耦合,有一种简单而有效的机制为新的mRNA留出空间。
为了将特定的mRNA运输到轴突末端,RNA-结合蛋白(RBP)必须识别并将其靶mRNA呈现给分子马达(Turner Bridger等人,2020). 比较轴突(通过轴突-TC)和细胞体(通过体细胞FACS)之间的mRNA丰度,揭示了mRNA选择性轴突富集的信息。值得注意的是,已知的mRNA与脆性X信使核糖核蛋白(FMRP)和TAR DNA结合蛋白43(TDP-43)相互作用,与神经发育密切相关(巴格尼和祖金,2019年)和神经变性(Tziortzouda等人,2021年)疾病分别在轴突末端高度富集(见下文)。这一观察表明,这些RBP可能在维持成年特异性轴突转录组中发挥关键作用。此外,这也增加了这一过程中的缺陷可能成为发展神经发育和神经退行性疾病的潜在风险因素的可能性。
情绪记忆中的细胞类型特异性和局部翻译
早期研究表明从头开始的长期记忆巩固的蛋白质合成主要使用药物抑制剂,如嘌呤霉素、茴香霉素和环己酰亚胺(戴维斯和乡绅,1984年),以翻译延伸为目标。从2000年代开始,对翻译起始(蛋白质合成中的速率限制步骤)在记忆中的作用的研究开始加强。这些研究大多集中于两种翻译起始因子的调控:真核翻译起始因子2α(eIF2α)和真核翻译初始因子4E(eIF4E)(Costa-Mattioli等人,2009年;Richter和Klann,2009年).
eIF2α的磷酸化是翻译起始的关键调控点。eIF2结合Met-tRNA我遇见和GTP形成稳定的43S预引发复合物。eIF2B促进GDP与GTP的交换,这是新一轮翻译所需的。丝氨酸51(Ser51)上eIF2α的磷酸化将eIF2转化为eIF2B的竞争性抑制剂,从而阻断GDP/GTP交换以抑制一般翻译,同时增加mRNA在其5′UTR中上游开放阅读框的翻译(Pestova和Hellen,2003年;Sonenberg和Dever,2003年;Pestova等人,2007年). 大量研究表明,eIF2α的严格调控是触发LTM形成的必要条件。例如,根据训练范式,包括双链RNA激活蛋白激酶(PKR)在内的几个eIF2α激酶的结构性基因缺失可以促进记忆形成(Costa-Mattioli等人,2005年;Zhu等人,2011年). 敲除蛋白磷酸化突变eIF2α小鼠也观察到类似的结果(Costa-Mattioli等人,2007年). 因此,调节eIF2α磷酸化是LTM的关键要求。
雷帕霉素复合物1(mTORC1)的机械靶点通过eIF4E结合蛋白(4E-BPs)和p70 S6激酶1(S6K1)的磷酸化刺激cap依赖性翻译起始(Richter和Klann,2009年). 简言之,mTORC1结合4E-BP2(脑富集亚型)和S6K1。eIF4E与mRNA的5′甲基化帽结合,与4E-BP2结合;未磷酸化的4E-BP2与eIF4E紧密结合,而mTORC1磷酸化的5E-BP2则不与eIF4紧密结合,因此允许形成eIF4F复合物(eIF4E+eIF4G+eIF4 A1),以便可以进行翻译起始。mTORC1还通过磷酸化S6K1影响翻译,然后磷酸化促进cap依赖翻译的靶点。多种形式的LTM都需要mTORC1信令,包括关联威胁记忆(有关审查,请参阅Hoeffer和Klann,2010年;Costa-Mattioli和Monteggia,2013年). 值得注意的是,mTORC1效应器eIF4E和S6K1在关联威胁记忆巩固、再巩固和消除中具有特定作用(Hoeffer等人,2011年;Huynh等人,2014年,2018).
尽管依赖eIF2和eIF4E的翻译控制是记忆的基本中介,但关于它们在记忆整合期间的局部翻译中的作用,人们知之甚少。研究表明,在威胁记忆巩固期间,多核糖体在杏仁核外侧树突棘中积聚(Ostroff等人,2010年)通过阻止eIF4E–eIF4G交互而被阻止的(Ostroff等人,2017),表明学习中涉及到依赖于本地eIF4E的翻译。关于轴突翻译,TRAP用于确定学习后杏仁核皮质轴突是否发生翻译。结合TRAP和威胁条件反射,研究表明轴突翻译体中的1200多个mRNA在记忆巩固过程中受到调节(Ostroff等人,2019年). 这些结果表明,轴突翻译发生在记忆形成过程中,支持了局部翻译参与记忆巩固的观点。然而,局部轴突翻译是否与威胁记忆巩固有关尚待确定。
为了确定LTM是否需要局部轴突翻译,有必要开发化学遗传学和光遗传学工具来控制轴突蛋白的合成。历史上,研究LTM翻译起始要求的研究使用了药理学或遗传学方法,每种方法都有优缺点。药理学方法提供了时间控制,允许确定从头开始的LTM巩固需要翻译,但缺乏细胞类型特异性。遗传方法可以提供细胞类型特异性,但通常缺乏记忆巩固研究所需的精细时间控制(Shrestha和Klann,2022年). 例如,eIF4E的细胞类型特异性和诱导性敲除被用于识别杏仁核中需要cap依赖性翻译以实现关联威胁记忆的细胞类型(Shrestha等人,2020a,b条)和安全记忆(Shrestha等人,2020b). 然而,在这些研究中,eIF4E的击倒使用了一个tet-inducible系统,该系统具有时间控制,不足以确定eIF4E对于LTM的获取、合并或检索是否必要。含有诱导性PKR(iPKR)的化学基因敲除小鼠系的开发证明,外侧杏仁核兴奋性神经元和中央外侧杏仁核生长抑素表达抑制性神经元的eIF2依赖性翻译是巩固威胁记忆所必需的(Shrestha等人,2020a,b条). 这些发现表明从头开始的LTM巩固需要杏仁外侧核和杏仁中央外侧核神经元不同亚群的翻译。此外,iPKR敲除小鼠可用于确定杏仁核皮质轴突中发生的学习诱导的局部轴突翻译(Ostroff等人,2019)是巩固听觉威胁记忆所必需的。
结束语和未来方向
成熟哺乳动物轴突的局部突触前翻译调节局部蛋白质组,并在突触可塑性和记忆中发挥重要作用。尽管轴突含有数千个mRNA,但重要的是要知道是什么决定了特定mRNA的翻译,而不是其他mRNA对局部线索的反应,以及这种翻译是如何调节的。由于中枢神经系统轴突可以建立具有异质特性的多个突触接触,因此了解轴突中mRNA分选的机制以及mRNA在更精细的亚细胞隔室中的分布至关重要,例如突触前神经束与轴突轴。需要可以使用的工具体内实时可视化轴突翻译并操纵突触前蛋白的合成和降解。由于mRNA的动态转运精细地调节了其翻译位点(Sahoo等人,2018年)基于图像的方法能够在生理条件下同时监测不同的mRNA物种,将为这些位点发生的基于mRNA的分子过程提供更深入的见解。选择性阻断轴突蛋白合成体内无论是iPKR系统还是新的化学和光遗传学工具,都将使我们明确地证明局部翻译在轴突存活、突触前可塑性和记忆中的作用。
需要更好地了解新合成的突触蛋白在轴突中的作用,以便在突触的局部翻译与结构和功能变化之间建立明确的分子联系。一个关键的知识缺口是关于能够长期增强和减弱神经递质释放的本地合成蛋白质的身份。探索单个突触前末端的转录组为揭示神经回路中单个突触前的异质性和功能多样性提供了一条很有前途的途径。一个反复出现且令人困惑的发现是,在轴突末端发现的mRNA通常编码已经丰富的蛋白质,如核糖体和细胞骨架蛋白质。蛋白质组学研究局部合成的蛋白质和预先存在的蛋白质之间的差异可能有助于阐明现场合成的蛋白质所起的作用(霍尔特等人,2019年). 通过解决这些和其他缺失的环节,我们将更好地理解RNA定位及其对大脑功能和疾病的影响。最后,除了蛋白质合成外,突触前蛋白质组也受蛋白质降解控制(Giandomenico等人,2022年). 要确定轴突蛋白降解的局部线索和机制及其对神经退行性和神经发育障碍的作用,还需要做大量工作。