即刻早期基因Egr-1与学习记忆的研究进展

李晓丽 ，金孝岠 ，朋立超

（1.皖南医学院附属弋矶山医院麻醉科，安徽 芜湖 241001；2.上海复旦大学附属上海市第五人民医院麻醉科，上海 200240）

在神经系统中，神经元之间通过突触相互联系，形成环路系统，启动一系列生化级联反应，导致突触的可塑性变化。突触的可塑性变化是学习记忆的神经基础，尤其是长时程增强（long term potentiation,LTP）与学习记忆的研究较为深切。即刻早期反应基因（immediate early genes，IEGs）是一组细胞经外部刺激后最先表达的基因，是可被第二信使诱导转录的原癌基因［1］，是突触诱导激活的基因。有研究［2］表明，在新版本的水迷宫试验中，大鼠完成学习任务后海马相关基因Egr-1的表达上调。而在Egr-1基因敲除的小鼠的实验中，却不能诱导出晚期LTP,说明Egr-1在相关突触可塑性中起着重要的调节作用［3］。 H.Cheval等［4］指出，Egr-1 的活性依赖性调控，对于齿状回突触可塑性的建立和几种记忆的巩固再巩固是非常重要的。本文就Egr-1表达以及参与学习记忆过程的机制通路的相关研究作一阐述。

1 Egr-1基因及蛋白的结构特点

Egr-1基因又称 Zif268、NGFI-A、Krox-24、Tis8，是IEGs中的一种，是含有3个锌指结构的调控转录因子［5］，其通过调控下游靶基因的转录表达而广泛影响细胞的功能，普遍存在于从酵母到人的真核细胞基因库中。V.P.Sukhatime等［6］应用原位杂交技术发现，Egr-1基因位于人的第5对染色体，编码3.3 kb的成熟mRNA，其3’-端的非翻译区域与其mRNA的不稳定、容易降解有关联。Egr-1基因的翻译产物EGR-1由533个氨基酸残基组成，分子量56.595 ku，可分为3个区域，N-末端的311个氨基酸残基富含丝氨酸（16%）和脯氨酸（14.2%）残基及苏氨酸（7.9%）和丙氨酸（7.9%），这可能是磷酸化位点，调控着EGR-1的活性；C-末端116个氨基酸，亦富含上述4种氨基酸残基，大多数脯氨酸残基形成二级结构，可能与配基的激活有关；中心区域由3个重复的28～30个氨基酸组成的单元相连而构成，含有锌指结构，与其对DNA的黏附性有关。

2 Egr-1基因的功能

人们对Egr-1的结构研究较多，但具体的生物学功能仍不清楚。近期逐渐转向在体研究，转基因小鼠的研究也见报道。许多研究提示Egr-1基因表达在长期记忆的形成过程中起着极为重要的作用，Egr-1基因的功能是通过调控结合于DNA的蛋白质合成进而调节通路下游靶基因的活性实现的［7］。1）Egr-1是真核细胞内转录调控因子，在信号传导过程中起着重要的作用［8］。各种细胞外刺激信号（如药物［9］、激素［10］、神经递质多巴胺［11］等）通过第二信使激活转录因子，诱导Egr-1蛋白表达，EGR-1蛋白进入细胞核与Egr-1基因的下游靶基因结合后转录，进而影响靶基因的表达［12］。 而 N-甲基－D－天门冬氨酸（NMDA）受体阻滞剂［13］、氯化镧［14］等可抑制Egr-1的表达。2）EGR-1下调Egr-1基因表达，这可能是一种反向自主调节机制［15］。3）Egr-1基因参与神经细胞生长、发育、分化等生理过程。如神经生长因子能诱导Egr-1基因表达，促进细胞的生长和分化［16］，可间接影响学习记忆。

3 Egr-1基因与学习记忆

目前研究表明，海马是脑内学习记忆有关的重要结构部位之一。各种信号刺激进入海马，使突触前膜释放递质谷氨酸，作用于突触后膜NMDA受体，使突触后神经元产生LTP,继而激活即刻早期基因。LTP是突触可塑性形式中的一种，反映了突触水平上信息储存过程。E.Pastalkova等［17］的实验表明，应用蛋白激酶（PKMz）专一抑制剂阻断海马已形成的晚期LTP，能使存储的空间记忆缺失。D.D.Pollak等［15］的实验结果也同样说明，海马LTP能使突触递质活性呈依赖性的增加，在同源小鼠中产生各种不同形式的学习和记忆。由此表明，LTP与海马形成的学习记忆关系密切。

Egr-1是可以编码锌指结构的转录因子，在突触可塑性和记忆的巩固以及LTP的诱导和学习过程中都伴随着Egr-1表达的增加［18］。Egr-1以及IEGs是神经细胞在长期认知记忆建立的重要分子机制［19］。组织损伤能引起动物的海马CA1区神经元Egr-1水平的快速增加，Egr-1耦合细胞外信号和细胞内基因表达，在海马内是通过刺激诱导出LTP而上调的。而在Egr-1基因敲除小鼠的实验中，却不能诱导出晚期LTP,说明Egr-1在相关突触可塑性中起着重要的调节作用［3］。在Egr-1突变的小鼠海马齿状回，LTP早期时相表现正常，但其晚期时相缺失，小鼠维持所得信息的能力缺失长达24 h。在学习任务中短期记忆正常，长期记忆受损，表明Egr-1表达水平的减少对空间学习记忆影响尤为敏感［13，20］。由此可见，Egr-1的表达是突触可塑性从短期向长期转变以及长期记忆形成必不可少的条件之一。

Egr-1基因通过转录表达翻译成蛋白重新进入核内，与靶基因结合调控突触可塑性相关的学习记忆。Egr-1所调控的靶基因很多。细胞骨架相关基因arc可能是Egr-1的靶基因之一，是一个突触活性诱导的效应分子，在晚期LTP和海马依赖的学习记忆过程具有重要的作用［21］。 也有证据［22］表明，在强烈刺激的条件下，Egr-1可以单独调控海马CA1区晚期活性依赖性arc基因的转录。arc的表达对学习记忆的调节可以通过调节AMPA受体的放电来实现［1］。

Egr-1基因还可以通过激活脯氨酸相关激酶Cdk5、灭活蛋白磷酸酶PP1、促进tau蛋白磷酸化，造成微管细胞骨架的不稳定，影响学习记忆的过程。这也可能是阿尔茨海默病患者学习记忆认知功能下降的原因之一［23］。

然而也有相反的研究［24］结论，认为Egr-1活性和LTP存在负性关系，即能有效诱导LTP的刺激却不能激活Egr-1,而不能诱导LTP的刺激却能引起Egr-1的表达，认为Egr-1的激活对于LTP既不必需也不充分。虽然Egr-1与LTP之间关系还有争议，但鉴于大量研究发现Egr-1在学习记忆过程中的明显变化，将其作为学习记忆功能的客观指标进行研究成为可能。

4 影响Egr-1表达的可能机制

对于学习记忆诱导Egr-1基因表达的机制非常复杂。大量体内和体外研究［25］表明，Egr-1 mRNA的表达可以被多种不同的受体激活调控，比如钙离子、多巴胺受体、谷氨酸受体的所有亚型等，同样这些受体也参与学习记忆的过程。可能是这些受体激活后，通过不同的第二信使系统，进而激活不同的激酶级联反应，导致活化的Egr-1与靶基因启动子区域特异的结合位点作用而调控靶基因的转录表达［17］。

NMDA受体是亲离子型谷氨酸受体的亚型，是学习记忆的过程中的关键物质，并且是钙离子的主要通道。钙离子进入突触后膜，作为第二信使激活PKC和CaMKⅡ、CaMKⅣ，进而磷酸化丝裂原活化蛋白激酶（MAPK），激活 MAPK通路。CaMK、多巴胺、肾上腺素受体还可以活化腺苷酸环化酶，cAMP激活蛋白激酶A（PKA），通过磷酸化Rap-1或抑制Ras磷酸化进而活化MAPK途径，激活Egr-1基因的转录，调控Egr-1基因的表达。

MAPK通路在突触的可塑性具有重要的作用。随着齿状回 LTP的诱导，MAPK、ERK1、ERK2以及下游2个转录因子Elk-1和CREB在数分钟内过磷酸化。通过转录因子Elk-1和CREB分别结合于SRE和CRE位点调控Egr-1的转录,进而进一步影响突触的LTP。应用上游激酶MEK抑制剂，LTP诱导的ERK过磷酸化以及下游转录因子Elk-1、CREB和Egr-1mRNA的表达都会被阻滞，从而导致LTP的快速下降。

综上所述，Egr-1与学习记忆关系密切，并且观察到学习记忆活动后以及学习记忆损伤后，Egr-1基因表达呈现一定规律性的变化。Egr-1基因的变化同样引起学习记忆的变化。在全身麻醉药所致学习记忆变化的研究中，观察Egr-1基因的表达状况，来探讨全身麻醉药对学习记忆的影响机制，可为麻醉学提供一种更深入的研究方法。还可以Egr-1基因表达作为标志物，发现学习记忆过程所涉及脑内的解剖结构，有助于全面认识学习记忆的机制。

5 结语

学习和记忆是大脑重要的高级神经功能之一，也是构成人类智能的要素。IEGs与学习记忆关系的研究取得了很大的进展，但还有很多问题有待于阐明。例如与Egr-1相关的靶基因大约有30多种，如arc、Bim［26］等。 但与学习记忆有关的 IEGs 所调控的靶基因研究的较少，MAPK通路Egr-1的下游机制还不是很清楚。Egr-1与LTP之间的关系还有相互矛盾的地方。此外，除了MAPK途径外可能还有未知的信号途径参与长期记忆的储存。近年来，关于术后认知功能障碍（post-operative cognitive dysfunction，POCD）逐渐成为麻醉学研究的热点，但具体发生机制到目前还不清楚。可以Egr-1基因表达作为标志物研究全身麻醉后的学习记忆功能的改变，并探讨其发生的可能机制。这些都需要进一步的研究、探索和证实。

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