跳到主页内容
美国国旗

美国政府的官方网站

Dot政府

gov意味着它是官方的。
联邦政府网站通常以.gov或.mil结尾。之前分享敏感信息，确保你在联邦政府政府网站。

HTTP服务器

该站点是安全的。
这个https（https）：//确保您连接到官方网站，并且您提供的任何信息都是加密的并安全传输。

访问密钥 NCBI主页 MyNCBI主页 主要内容 主导航
.2018年8月；21(8):1027-1037.
doi:10.1038/s41593-018-0184-3。 Epub 2018年7月16日。

PKCα整合时空差异钙2个+和自分泌BDNF信号以促进突触可塑性

莱斯利·A·科尔根 1, 莫虎 2, 詹姆·守财奴 2, 保拉·帕拉布诺 2, 科里·M·莫兰 2, 迈克尔·雷格斯 三, 安田良惠 4
附属公司

PKCα整合时空差异钙2个+和自分泌BDNF信号以促进突触可塑性

莱斯利·A·科尔根等。 自然神经科学. 2018年8月.

摘要

蛋白激酶C（PKC）酶长期以来一直被认为是突触可塑性的关键。然而，尚不清楚Ca是否2个+-在可塑性过程中，依赖性PKC同工酶在树突棘中被激活，如果是这样，这种突触活动是如何被PKC编码的。在这里，使用新开发的同工酶特异传感器，我们证明经典同工酶在不同程度上被激活，并且具有不同的动力学。PKCα在受刺激的脊椎中强烈而迅速地被激活，是结构可塑性所需的唯一同工酶。这种特异性取决于仅存在于PKCα中的PDZ结合基序。在可塑性过程中PKCα的激活需要NMDA受体Ca2个+流量和自分泌脑源性神经营养因子（BDNF）-TrkB信号传导，这两种信号传导途径在时空尺度上存在巨大差异。我们的结果表明，通过整合这些信号，PKCα将最近的、邻近的突触可塑性测量与局部突触输入相结合，从而实现复杂的细胞计算，例如有效的海马依赖性学习所必需的异突触可塑性促进。

PubMed免责声明

利益冲突声明

作者声明，根据Nature Research的定义，没有竞争性的财务或非财务利益。

数字

图1：
图1:。同工酶特异性PKC活性FLIM-FRET传感器的研制
A） ITRACK传感器设计。供体：经典PKC同工酶被标记为mEGFP。受体：mCh靶向具有K-CAAX结构域的膜。B） IDOCKS传感器设计。供体：经典PKC同工酶被标记为mEGFP。受体：PKCα/β的假底物结构域被2mCh荧光团标记。C） PdBu（1μM）和离子霉素（1μM）激活PKC前后表达ITRACKα或ITRACK-α阴性的HeLa细胞的代表性荧光寿命图像（见图S1A）。较暖的颜色表示寿命缩短，PKCα活性增加（（E）中的量化）。比例尺=20μm。D） 与C中相同，但细胞表达IDOCKSα或IDOCKSα阴性（（E）中的定量）。E） PKCα传感器在PdBU（1μM）和离子霉素（1μM）或载体刺激下荧光寿命变化的平均时间过程（n[实验/细胞]：Veh=6/30，ITRACKα=7/37，ITRACKαneg=5/28，IDOCKSα=6/29，IDOCKSαneg=6/36，阴影区域表示SEM）。F） 如图所示，HeLa细胞中PKCα（以E表示）、PKCβ和PKCγ的ITRACK和IDOCKS药物诱导荧光寿命变化的定量（n[实验/细胞]：ITRACK-β=6/29，IDOCKS-β=7/44，ITRACK-γ=6/30，IDOCKSγ=6/27，条形表示平均值，SEM符号表示单个细胞）。G） 在PdBu（1μM）和NMDA（20μM）刺激前或2分钟后，表达ITRACKα或IDOCKSα的CA1海马神经元次级顶树突的代表性荧光寿命图像。比例尺=2μm。H） 如图所示，量化神经元中PKCα、PKCβ和PKCγ的ITRACK和IDOCKS药物诱导荧光寿命变化（n[实验/神经元]=5/5，Bars表示平均值和SEM，符号表示单个神经元）。
图2：
图2:。结构可塑性诱导强健、分区和快速的PKCα活性
A） ITRACK传感器设计。B、 C）接受sLTP的单个脊柱中ITRACKα的荧光寿命图像（B）和量化（C）。白点（B）和黑色破折号（C）表示谷氨酸未加糖。荧光寿命数据（黑色）可通过计算ITRACKα供体（eGFP标记的PKCα）的百分比量化为易位百分比（蓝色），该供体与ITRACK-α受体（膜靶向mCh）进行FRET。D） sLTP期间用ITRACKα测定PKCα活性的平均时间进程。n[神经元/脊椎]=32/103。阴影区域代表SEM。E）ITRACK对每个谷氨酸去盖脉冲的平均响应（去盖触发平均值，阴影区域为SEM）以及PKCα（τ=0.61±0.07 s，n[神经元/棘]=32/103）、PKCβ（τ=0.48±0.11 s，n[neurons/spines]=13/31）和PKCγ（τ=0.28±0.04 s，n/棘]=10/27）的衰变时间常数。组间未共享额外的平方和F检验-Yo和K（1/τ）p<0.0001。F） sLTP期间ITRACKα的未老化触发荧光寿命图像的平均值。白点表示谷氨酸开盖的位置。G） 受刺激脊椎（红色）和相邻树突延伸中PKCα平均峰值活性的空间分布（n[神经元/脊椎]=4/17）。使用非线性回归计算的空间衰减常数。误差条代表SEM.H）IDOCKS传感器设计。一、 J）接受sLTP K的单个脊椎IDOCKSα的荧光寿命图像（I）和量化（J））sLTP期间用IDOCKSα测量的PKCα的平均时间进程（n[神经元/脊椎]=6/28。显示平均值和SEM（阴影））。五十） 通过IDOCKS测量PKCα（n[神经元/棘突]=6/28）、PKCβ（n[神经细胞/棘突]=6/24）和PKCγ（n[细胞/=8/29）的非老化触发平均值（平均值和SEM（阴影））。
图3：
图3:。经典同工酶PKCα而非PKCβ或PKCγ调节结构可塑性
A） 在无CTL或PKC抑制剂Gö6983（Gö，1μM）预处理的情况下，单棘（箭头）无钙诱导sLTP的代表性强度图像（eGFP）。B） 在CTL或Gö6983处理的切片中，谷氨酸去壳（黑方块）诱导sLTP的平均时间进程。Gö6983已申请10+在（Gö_pre）前分钟或（Gö_post）后立即（n[神经元/棘]：CTL=11/11，Gö_pre=12/12，Gö_post=4/4）。药物应用的双向方差分析显著（F（2480）=45.35，p<0.001）。显示平均值和SEM（阴影）。C） B（n[神经元/脊髓]：Veh=4/4）持续sLTP（25–30分钟）的量化。用Sidak的多重比较测试Gö_pre与所有其他组进行单向方差分析。显示平均值和SEM。D） 经典PKC同工酶alpha的WT和KO同窝神经元中谷氨酸非激活（黑方块）诱导sLTP的平均时间进程（平均值和扫描电镜（阴影）显示，n[神经元/棘]：WT=10/21，KO=12/26，双向方差分析在PKCalpha基因型上显著（F（1920）=97.41，p<0.001），β-ns（n[神经元／棘]：WT=7/10，KO=9/14）和γns（n[神经元/棘]：WT＝8/17、KO＝10/23）。插图：平均持续sLTP的量化（25-30分钟，误差条代表SEM）。所示为未成对的双尾t检验。E） 如D所示，来自PKCαWT和KO同窝仔的棘的sLTP的平均时程与过表达eGFP标记的PKCα、PKCβ或PKCγ的PKCαKO神经元的sLTP重叠。显示平均值和SEM（阴影）。组间双向方差分析显著（F（41900）=32.59，p<0.0001）。F） E中平均持续sLTP（25–30分钟）的量化（n[神经元/脊髓]：WT=10/21，KO=12/26，KO+PKCα=9/21，KO+PKCβ=6/16，KO+PKCγ=6/16、单向方差分析和Sidak的多重比较测试）。G） WT小鼠、PKCα、β、γ三重KO小鼠（TKO）、过度表达eGFP标记的PKCα或PKCβ、γ二重KO鼠（DKO）（n[神经元/脊髓]：WT=8/21，TKO=7/18，TKO+PKCα=7/17，βγDKO=5/16）神经元中平均持续sLTP的定量。误差条代表SEM。单因素方差分析与Sidak的多重比较。
图4：
图4:。同工酶特异性PKCα活性和功能由C末端PDZ结合域定义
A） 经典PKC同工酶结构域示意图。PS：假底物，C1：DAG结合域，C2：钙结合域，C3：ATP结合位点，C4：底物结合域。V1–V5：同工酶之间同源性较低的区域。显示了三种经典同工酶V5的C末端部分的氨基酸序列。显示了PDZ结合图案。B） ITRACK传感器中用于面板D-G的eGFP标记的PKC构建物示意图。供体构建物包括eGFP标签的PKCα（WT）或无PDZ结合域PKCα和PKCγ的缺失突变体（ΔQSAV），或含有从PKCα添加到C末端的PDZ结合结构域的嵌合PKCγ（+QSAV。C） ITRACK测量的非老化触发平均值（显示平均值和SEM（阴影），n[神经元/脊髓]=PKCαWT:5/28，PKCαΔQSAV:8/39，PKCγWT:4/30，PKC伽玛+QSAV:6/35）。D） （C、平均值和SEM）中峰值易位的量化。双向方差分析对QSAV结构域的存在显著（F（1128）=11.81，p=0.0008）。Sidak的多重比较测试。E） 过度表达eGFP标记的PKCαΔQSAV（n[神经元/脊髓]=6/17）或过度表达eGFP标记的PKCγ+QSAV的PKC a KO神经元的脊髓sLTP的平均时间进程（n=4/13）。显示平均值和SEM（阴影）。F） 对仅过度表达eGFP的PKCαKO小鼠（PKCαKO:n[神经元/棘]=4/12）、eGFP标记的PKC a WT（n=5/14）、PKCαΔQSAV（如E所示）、PKC-γWT（n=3/10）、PKC+QSAV。误差条代表SEM。通过QSAV域的存在，双向方差分析显著（F（1,49）=14.63，p=0.0004）。Sidak的多重比较测试。
图5：
图5:。PKCαKO动物可塑性的功能和行为特征
A） 电生理记录显示PKCαKO（n[动物/实验]=8/20）和WT（n=8/20）同窝小鼠的平均输入/输出曲线。显示平均值和SEM。B） PKCαKO（n[动物/实验]=8/22）和WT（n=8/19）同窝小鼠CA1锥体神经元LTP诱导前后细胞外记录的EPSP斜率和平均代表性EPSP轨迹（插图）变化的时间进程。显示平均值和SEM。双向方差分析按基因型显著（F（28818）=463.7 p<0.0001）。C） 量化（B）中神经元的平均增强（40–60分钟）。显示平均值和SEM。双尾非配对t检验。D） 雄性PKCαKO（n[动物]=13）和WT（n=15）同窝小鼠在高架迷宫中的焦虑相关测量（平均值和SEM）。显示平均值和SEM。双尾非配对t检验。E） 提示性和情境性恐惧条件作用下PKCαKO和WT室友的移动距离和冻结时间百分比。显示平均值和SEM。双尾非配对t检验。F） 莫里斯水迷宫（MWM）训练和测试协议示意图。G） 训练PKCαKO（n[动物]=13）和WT（n=15）同窝小鼠时，在MWM任务中发现隐藏平台的成功率和潜伏期的获得曲线（双向重复测量ANOVA，成功发现平台的日显著性（F（10260）=26.67，p<0.0001）和基因型（F（1,26）=8.302，p=0.0078），对于潜伏期，发现平台显著（F（9234）=19.5，p<0.0001）和基因型（F（126）=5.11，p=0.0324）。每天对动物进行训练，直到它们达到组平均性能标准（虚线：成功找到平台>95%，到平台的延迟<20秒）。显示平均值和SEM。黑点表示平台的位置。黑色三角形表示用于评估学习的探究测试。H） 反转训练第3天（D16）后，WT（n[动物]=15）和PKCαKO（n=13）小鼠在探针测试的前30秒的平均象限时间、距平台位置的距离和热图。显示平均值和SEM。通过双向重复测量ANOVA分析象限时间，显示位置和基因型之间存在显著交互作用（F（3104）=5.97，p=0.0009）。Sidak的基因型位置多重比较试验在目标象限中具有显著性。通过非配对双尾t检验分析与平台位置的距离。一） 在达到反向训练性能标准后的第1天、第4天和第40天进行记忆探针测试时，PKCαWT（n[动物]=15）和KO小鼠（n=13）与训练平台位置的平均距离。显示平均值和SEM。未配对双尾t检验（ns）。
图6：
图6:。NMDAR和BDNF/TrkB激活聚合以激活PKCα
A） 用于抑制信号通路各种成分的药理制剂示意图。B-E）用药前后未老化引发的PKCα活性平均值（用ITRACKα测量）。显示平均值和SEM（阴影）。B） APV（50μMN[神经元/棘]=6/26，CTL 6/15）。C） Edelfosine（50μM n[神经元/脊椎]=7/29，CTL 7/23）。D） MCPG（250μM n[神经元/棘]=7/23，CTL 7/23）。E） 1英里/小时1(TrkB公司F616A型老鼠；1μM 1NMPP1 n[神经元/棘]=7/27，CTL=11/40，Veh=4/17）。显示了双尾非配对t检验的重要性。F） 非casging触发的神经元PKCα活性平均值的平均变化（用ITRACKα测量）Bdnf公司 飞行/飞行用Cre表达ITRACKα的小鼠（n[神经元/棘]=14/49）或不表达Cre的小鼠（CTL n[神经元／棘]=10/35）。显示平均值和SEM（阴影）。Cre治疗的双向方差分析显著性。G） 通过PKCα活化的指示处理量化平均抑制百分比（与B-F，图S5C，D中的数据相同）。每个处理中ITRACKα的峰值响应（t=0.192 s）归一化为其自身的对照实验（NPS 20μM n[神经元/棘]=7/28，U73122 10μM n[neurons/棘]=3/9）。误差线反映了治疗组和对照组平均值的组合标准误差。显示了双尾单样本t检验对100%的显著性。
图7：
图7:。PKCα整合多个上游信号诱导异动力促进塑性
A） 实验设计示意图。单独（不成对）或在附近的阈上刺激（成对）后给予不能诱导可塑性的阈下刺激。B） 未配对（n[神经元/棘]=5/18）或配对刺激（n[神经细胞/棘]=5/16）后，开放触发PKCα的平均和峰值移位。显示了平均值和SEM，符号表示单个脊椎。双尾非配对t检验。C） 未老化触发Ca的平均和峰值激活2个+在未配对（n[神经元/脊髓]=7/16）或配对刺激（n[神经/脊髓]=7/16）后用GCaMP6f测量。显示了平均值和SEM，符号表示单个脊椎。Sidak多重比较的单向方差分析。D） 在接受sLTP的单个树突状棘中同时监测钙内流和PKCα移位。jRGECO1a的强度图像和ITRACKα的荧光寿命图像以及各自的时间进程。Ca上升2个+基线是由于受刺激脊柱的体积增加。白色圆点和黑色虚线表示谷氨酸盐未捕获。E） PKCα转位峰值与Ca的关系2个+根据接受sLTP的单根脊髓的非钙化触发平均值计算的内流（n[神经元/脊髓]=11/20）。Pearson相关性为ns（p=0.597，r2=0.015，所示线性回归线限制为0,0截距）。F） PKCα和Ca的峰值移位2个+在未配对（n[神经元/脊椎]=8/16）或配对刺激（n[神经细胞/脊椎]=8/15）后。棒材代表平均值和SEM，代表单个脊柱。双尾非配对t检验。G） PKCα转位峰值与Ca的关系2个+根据非激活触发的单个棘（点）的平均值计算的流入量，该平均值给予阈下刺激（不成对的深蓝色）或在sLTP诱导附近棘（成对的浅蓝色）刺激后不久进行阈下激励。显示了平均值的平均值和标准误差。未配对组无显著相关性（p=0.247，r2=0.101）或成对（p=0.572，r2=0.027）脊椎。绘制的线性回归线被约束为0,0截距。H） TrkB和Ca的集成模型2个+在成对和非成对阈下刺激中诱导PKCα激活的信号。
请参阅PMC中的此图像和版权信息

中的注释

  • 突触后PKC信号的FRETting。
    Dell'Acquia ML，Woolfrey KM公司。 Dell'Acquia ML等人。 自然神经科学。2018年8月；21(8):1021-1022. doi:10.1038/s41593-018-0190-5。 自然神经科学。2018 PMID：30013172 没有可用的摘要。

类似文章

  • 单个树突棘内的自分泌BDNF-TrkB信号。
    Harward SC、Hedrick NG、Hall CE、Parra-Bueno P、Milner TA、Pan E、Laviv T、Hempstead BL、Yasuda R、McNamara JO。 Harward SC等人。 自然。2016年10月6日；538(7623):99-103. doi:10.1038/nature19766。Epub 2016年9月28日。 自然。2016 PMID：27680698 免费PMC文章。
  • Rac1是PKCα在结构突触可塑性中的下游效应器。
    Tu X、Yasuda R、Colgan LA。 Tu X等人。 科学报告2020年2月4日；10(1):1777. doi:10.1038/s41598-020-58610-6。 科学报告2020。 PMID：32019972 免费PMC文章。
  • SK通道和NMDA受体在树突棘中形成Ca2+介导的反馈环。
    Ngo-Anh TJ、Bloodgood BL、Lin M、Sabatini BL、Maylie J、Adelman JP。 Ngo Anh TJ等人。 自然神经科学。2005年5月；8(5):642-9. doi:10.1038/nn1449。Epub 2005年4月24日。 自然神经科学。2005 PMID：15852011
  • BDNF诱导的局部蛋白合成和突触可塑性。
    Leal G、Comprido D、Duarte CB。 Leal G等人。 神经药理学。2014年1月；76第C部分：639-56。doi:10.1016/j.neuropharm.2013.04.005。Epub 2013年4月16日。 神经药理学。2014 PMID：23602987 审查。
  • BDNF对树突棘形态和海马功能的影响。
    von Bohlen Und Halbach O，von Bowlen Und哈尔巴赫V。 von Bohlen Und Halbach O等人。 《细胞组织研究》，2018年9月；373(3):729-741. doi:10.1007/s00441-017-2782-x.Epub 2018年2月15日。 《细胞组织研究》，2018年。 PMID：29450725 审查。
查看所有类似文章

引用人

查看所有“被引用”文章

工具书类

参考文献和注释：

    1. Nicoll RA&Roche KW长期强化：剥洋葱。《神经药理学》74，18-22，doi:10.1016/j.neuropharm.2013.02.010（2013）。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学
    1. 西山J&Yasuda R脊柱结构可塑性的生化计算。Neuron 87，63–75，doi:10.1016/j.Neuron.2015.05.043（2015）。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学
    1. Hulme SR、Jones OD和Abraham WC，化塑性在行为和疾病中的新兴作用。《神经科学趋势》36，353–362，doi:10.1016/j.tins.2013.03.007（2013）。-内政部-公共医学
    1. Harvey CD&Svoboda K锥体神经元树突局部动态突触学习规则。Nature 450，1195-1200，doi:10.1038/nature06416（2007）。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学
    1. Govindarajan A、Israely I、Huang SY和Tonegawa S树突分支是蛋白质合成依赖型LTP的首选整合单元。《神经元》69，132–146，doi:10.1016/j.Neuron.2010.12.008（2011）。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学

方法参考

    1. Sacktor TC等人。蛋白激酶C的zeta亚型在维持长期增强中的持续激活。《美国国家科学院院刊》90，8342–8346（1993）。-项目管理咨询公司-公共医学
    1. Leitges M等人。蛋白激酶cbeta缺乏小鼠的免疫缺陷。《科学》273788-791（1996）。-公共医学
    1. Leitges M等人。PKCα基因敲除通过PI3K增强胰岛素信号。摩尔内分泌16，847–858，doi:10.1210/mend.16.4.0809（2002）。-内政部-公共医学
    1. He XP等人TrkB的条件性缺失而不是BDNF的条件性缺失可防止点燃模型中的癫痫发生。《神经元》43，31–42，doi:10.1016/j.Neuron.2004.06.019（2004）。-内政部-公共医学
    1. Stoppini L、Buchs PA和Muller D神经组织器官型培养的简单方法。神经科学方法杂志37173-182（1991）。-公共医学

出版物类型

MeSH术语