A structural basis for enhancement of long-term associative memory in single dendritic spines regulated by PKC

doi:10.1073/pnas.0709311104

.2007年12月4日；104(49):19571-6.

doi:10.1073/pnas.0709311104。 Epub 2007年12月4日。

PKC调节的单个树突状棘增强长期联想记忆的结构基础

杰林·洪佩珊¹, 丹尼尔·阿尔康

附属公司

PMID： 18073185
预防性维修识别码： PMC2148330型
内政部： 10.1073/pnas.0709311104

PKC调节的单个树突状棘增强长期联想记忆的结构基础

杰林·洪佩珊等。美国国家科学院程序. 2007.

.2007年12月4日；104(49):19571-6.

doi:10.1073/pnas.0709311104。 Epub 2007年12月4日。

作者

杰林·洪佩珊¹, 丹尼尔·阿尔康

附属

¹布兰切特·洛克菲勒神经科学研究所，摩根敦，WV 26506，美国。

PMID： 18073185
预防性维修识别码： PMC2148330型
内政部： 10.1073/第070931104页

摘要

利用扫描共聚焦和电子显微镜形态计量学测量，我们分析了水迷宫训练大鼠和对照大鼠海马CA1锥体细胞的单个树突状棘。在完成所有训练的两天后，我们观察到蘑菇棘的数量出现了记忆特异性的增加，所有蘑菇棘都会进行突触接触，但丝状足、短棘或薄棘的数量没有增加，这是用双盲方案在扫描共聚焦和电子显微镜图像中进行量化的。PKC激活剂和候选阿尔茨海默病治疗用苔藓抑制素增强了蘑菇棘数量的记忆特异性增加，PKCalpha-isozyme阻滞剂Ro 31-8220阻断了苔藓生长，并伴有突触后“穿孔”密度增加、突触前小泡数量增加、，与蘑菇棘相关的双突触突触前神经束增多。本文描述的这些和其他涉及PKC底物的共焦成像免疫组化结果表明，单个蘑菇棘为长期联想记忆提供结构存储位点，并为记忆特异性突触发生提供位点，这些突触发生涉及PKC调节的棘形变化，以及PKC调节突触前后超微结构的变化。

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利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数字

**图1。**
树突棘的DiI染色。(*a–c*)行为训练。(一)在莫里斯水迷宫中，每天进行四次试验，训练6天以上的大鼠学习获得曲线。实验组之间的学习总体上存在显著差异(F类_{2, 427}= 6.815,*P（P）*< 0.001; 方差分析）。PKC激活剂苔藓抑制素的给药(n个=11只大鼠）通过减少潜伏期提高学习率(F类_{1, 315}=10.772，*P（P）*<0.001），而添加PKCα同工酶阻滞剂Ro 31-8220（Ro；n个=9只大鼠）阻止了苔藓抑制素的增强(F类_1271个= 11.307,*P（P）*< 0.001). (b条和*c（c）*)通过探针测试测量评估培训完成后24小时的记忆保持能力。实验组之间大鼠到达水下平台区域所需的时间总体上存在显著差异，现在已移除该区域进行探针测试(F类_{3, 42}= 10.826,*P（P）*<0.001），以及大鼠在1分钟内穿过平台先前位置的次数(F类_{3, 42}= 9.070,*P（P）*< 0.001). 迷宫加苔藓抑制素大鼠(n个=9只大鼠）更快到达平台区域(F类_{1, 22}= 4.509,*P（P）*<0.05），并多次穿过该平台位置(F类_{1, 22}=6.197，*P（P）*<0.02）比不使用苔藓抑制素的迷宫大鼠(n个=12只大鼠）。这些影响被抑制(n个=9只大鼠），根据Ro 31-8220(b条,F类_{1, 19}= 8.184,*P（P）*<0.01；*c（c）*,F类_{1, 19}= 6.181,*P（P）*< 0.02). (*d–h日*)探针测试后24小时的DiI染色和共焦显微镜。原理图(d日)和共焦图像(*e（电子）*)显示不同形状的树突棘和丝状伪足。蘑菇棘的实验组之间存在显著的总体差异(F类_{5, 197}= 10.050,*P（P）*<0.001）和短刺(F类_{5, 197}= 3.235,*P（P）*<0.01），但对于细棘和丝状足类则不然。(*（f）*)水迷宫训练(n个=9只大鼠，n个=50个树突）在海马CA1放射层中特异性增加的蘑菇棘(*P（P）*< 0.01; 双尾t吨测试）与天真相比(n个=8只大鼠，n个=48枝晶）和游动(n个=5只大鼠，n个=28枝晶）控制。Bryostatin（Mz/Br；n个=6只大鼠，n个=29枝晶）进一步增强(*P（P）*<0.01）被废除的蘑菇棘的数量因学习而增加(*P（P）*<0.001）根据Ro 31-8220(n个=3只大鼠，n个=18枝晶）。(克)单用Bryostatin(n个=5只大鼠，n个=28个树突）增加短刺(*P（P）*< 0.001). (小时)薄棘的数量不受学习或PKC激活的影响。Nv，天真的控制；游泳，游泳控制；Br，苔藓抑制素；Mz，水迷宫训练。横条上的星号表示与幼稚和游泳控制相比存在显著差异。括号中的星号表示各组之间存在显著差异。*，*P（P）*< 0.05; **,*P（P）*< 0.01; ***,*P（P）*< 0.001. 行为实验和双尾方差分析t吨试验用于DiI染色。

**图2。**
突触前和突触后小室的免疫组织化学。(一)海马CA1区扫描共聚焦显微镜：树突状棘标记物嗜棘蛋白(左侧)（每个颗粒是一个树突棘），突触前轴突波顿标记物突触素(居中)（每个颗粒是一个轴突突起）和PKC依赖的Hu蛋白(赖特)（或mRNA稳定蛋白ELAV）。在6天的水迷宫训练后两天，我们观察到Hu蛋白从细胞核持续易位到树突（箭头），同时标记有嗜刺蛋白的树突棘数量增加，突触素强度增加。(b条)实验组间嗜酸性粒细胞数量的量化显示出显著的总体差异(F类_{4, 177}=8.535，*P（P）*< 0.001; 方差分析）。水迷宫训练(n个=6只大鼠；n个=59张CA1图像；*P（P）*< 0.05; 双尾t吨与幼稚和游泳对照组相比，树突棘的数量增加(n个=3只大鼠；n个=每个控件中30个图像）。苔藓抑制素增强了这些作用(n个=4只大鼠；n个=32幅图像；*P（P）*< 0.01). Ro 31-8220抑制了苔藓抑制素的增强作用(n个=3只大鼠；n个=30幅图像；*P（P）*< 0.05). Bryostatin单独使用也增加了树突棘的数量(n个=3只大鼠；n个=30幅图像；*P（P）*< 0.01). (*c（c）*)方差分析显示，幼稚对照组、游泳对照组、水迷宫组和水迷宫加苔藓抑制素组的突触素颗粒数量无显著差异(F类_{4, 219}= 0.855,*P（P）*= 0.49). 中的结果b条和*c（c）*表明记忆保持与蘑菇棘数量增加有关，但突触前轴突泡数量没有变化。因此，*从头开始*如参考文献所述，树突棘可能与现有的轴突突触形成突触，导致多突触突触的数量增加。(d日)突触素强度的量化显示，实验组之间的突触素密度总体上存在显著差异(F类_{4, 226}= 5.742,*P（P）*< 0.001). 水迷宫训练增加突触素强度(n个=6只大鼠；n个=60幅图像；*P（P）*<0.05）与天真相比(n个=3只大鼠；n个=30张图片）和游泳(n个=6只大鼠；n个=60张图像）控件。bryostatin增强了水迷宫训练对突触素强度的影响(n个=5只大鼠；n个=47幅图像；*P（P）*< 0.05). 这表明，记忆也增加了多个突触中突触前小泡的数量，以保持激活数量增加的突触后膜（可能是蘑菇棘）的能力。苔藓抑制素增强水迷宫训练诱导的树突棘数量增加(b条)，但不是突触前囊泡数(d日)被PKCα阻滞剂（RO）减弱。这些结果表明，学习和苔藓抑制素对突触后室的作用是PKCα依赖性的，而对突触前室的作用则不是PKCα的依赖性。(*e（电子）*)树突Hu蛋白强度的量化（每个实验中三到四只大鼠）表明，CA1树突中的Hu蛋白在实验组之间显示出显著的总体差异(F类_{3, 201}= 16.424,*P（P）*< 0.001). 6天水迷宫训练两天后，水迷宫训练增加了HuC和HuD蛋白向树突轴的核输出(n个=57枝晶；*P（P）*<0.01）与天真相比(n个=64个树枝晶）和游泳(n个=45枝晶）控制。苔藓抑制素(n个=36个树突）进一步增强了胡敏酸的学习诱导积累(*P（P）*< 0.05; 水迷宫训练vs.使用bryostatin的水迷宫训练）。这些结果证实了先前的一份报告，即水迷宫训练增加了PKCα激活的Hu蛋白向树突的移位（11）。然而，本研究也表明，苔藓抑制素促进记忆诱导的树突中胡蛋白的积累。星号表示与幼稚组和游泳控制组相比存在显著差异。*，*P（P）*< 0.05; **,*P（P）*< 0.01; ***,*P（P）*< 0.001.

**图3。**
蘑菇刺EM。(一)电子显微镜双盲分析显示6天水迷宫训练后2天CA1海马区蘑菇棘的超微结构(n个=每种情况下3只动物）。(b条)放大倍数更高（用方框表示的区域一)显示了黄斑部和穿孔PSD的形态（黄色箭头）及其突触前膜（红色箭头）伙伴。(*c（c）*)低倍放大显示蘑菇棘的总数发生了变化（以黄色突出显示）。M、蘑菇；D、枝晶。(d日和*e（电子）*)电子显微镜分析黄斑的数量(d日)和穿孔(*e（电子）*)PSD蘑菇刺。实验组之间黄斑的总体差异显著(F类_3224个= 6.647,*P（P）*<0.001）和穿孔(F类_3224个= 16.530,*P（P）*<0.001）PSD蘑菇刺。(d日)对于黄斑部PSD，只有使用苔藓抑制素的水迷宫训练显示出显著差异(*P（P）*<0.001）来自幼稚和游泳控制。(*e（电子）*)对于穿孔PSD，水迷宫训练增加了含有穿孔PSD的蘑菇棘的数量(*P（P）*<0.05）与幼稚和游泳对照组相比。这种作用被苔藓抑制素增强(*P（P）*< 0.01; 水迷宫训练与使用苔藓抑制素的水迷宫训练）。蘑菇总棘的数量（即黄斑棘和穿孔棘的总数）在实验组之间显示出显著的总体差异(F类_{3, 224}= 16.825,*P（P）*< 0.001). 水迷宫训练(n个=每种情况下3只动物）显著增加(n个=49张显微照片；*P（P）*<0.05）蘑菇棘的数量与天真的相比(n个=55张显微照片）和游泳(n个=56张显微照片）。苔藓抑制素进一步增加了这些数量(n个=65张显微照片；*P（P）*< 0.01; 水迷宫训练与使用苔藓抑制素的水迷宫训练）。星号表示与幼稚组和游泳控制组相比存在显著差异。*，*P（P）*< 0.05; ***,*P（P）*< 0.001.

**图4。**
蘑菇棘突触前轴突隆起的电镜观察。(一)6天水迷宫训练后2天海马CA1区与蘑菇棘（M）突触的轴突束（B）的超微结构。注意，水迷宫训练大鼠突触前神经束中突触前小泡（红色箭头）的数量增加，突触前神经元有两个棘（M，蘑菇；T，薄）与神经束突触。(b条和*c（c）*)具有大量突触前小泡的突触前轴突束的量化显示，实验组之间总轴突束（黄斑区和穿孔PSD；F类_{3, 206}= 13.344,*P（P）*<0.001），黄斑PSD(F类_{3, 206}= 2.526,*P（P）*<0.05）和穿孔PSD(F类_3204年= 12.461,*P（P）*<0.001）蘑菇刺。水迷宫训练显著增加了轴突发作的次数，其中有大量穿孔的囊泡(n个=49张显微照片；*P（P）*<0.01），但与幼稚相比不是黄斑蘑菇棘(n个=55张显微照片）和游泳(n个=57张显微照片）。这导致整个蘑菇棘的轴突泡中突触前小泡显著增加(*P（P）*< 0.01). 这些作用被苔藓抑制素显著增强(n个=46张显微照片；*P（P）*<0.01b条;*P（P）*<0.05c（c）；水迷宫训练与使用苔藓抑制素的水迷宫训练）。(d日和*e（电子）*)多突触波顿（MSB）的量化显示，实验组之间的总差异显著(F类_{3, 238}= 12.566,*P（P）*<0.001），黄斑PSD(F类_3238年= 24.820,*P（P）*<0.001）和穿孔PSD(F类_{3, 238}= 5.818,*P（P）*<0.001）蘑菇刺。水迷宫训练显著增加穿孔的多突触发声次数(n个=53张显微照片；*P（P）*<0.05），但与幼稚相比，不是黄斑蘑菇棘(n个=59张显微照片）和游泳(n个=61张显微照片）。这导致蘑菇总棘的多突触节显著增加(*P（P）*< 0.05). 苔藓抑制素显著增强了水迷宫训练的效果(n个=66张显微照片；*P（P）*<0.01e（电子）；水迷宫训练与使用苔藓抑制素的水迷宫训练）。星号表示与幼稚组和游泳控制组相比存在显著差异。*，*P（P）*< 0.05; **,*P（P）*< 0.01; ***,*P（P）*< 0.001.

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1. Enger F、Bonhoeffer T、Nature。1999;399:66–70.-公共医学
1. Matus A.Curr神经生理学。2005;15:67–72.-公共医学
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