egr-1在学习记忆中的作用及机制研究进展

宋娇娇，周君梅



-1在学习记忆中的作用及机制研究进展

宋娇娇，周君梅

200040 上海市儿童医院/上海交通大学附属儿童医院中心实验室

学习和记忆是大脑对外界有关信息获取、处理、存储和提取的过程，其所依赖的生物学基础是神经元之间通过突触相互连接形成复杂的神经网络，启动一系列生化级联反应，导致突触可塑性变化，如长时程增强（long term potential，LTP）和长时程抑制（long term depression，LTD），其中，LTP 与学习记忆的关系尤为密切。突触可塑性的功能障碍常导致与记忆力减弱或丧失等相关的一系列临床常见疾病，如癫痫、亨廷顿病、阿尔茨海默症、精神发育迟滞及进行性慢性疼痛等[1]，利用合适的模型研究突触可塑性功能障碍的具体机制有望为相关疾病的诊疗提供基础。

目前，国内外已对突触可塑性相关基因和蛋白质表达进行了大量研究，其中较为关键的蛋白是早期生长反应因子（early growth response factor，-1）基因编码的蛋白 EGR-1[2-3]。有研究证据表明，EGR-1 蛋白可参与调控大脑中枢神经元的可塑性变化和学习记忆过程，如恐惧记忆、空间学习记忆和视觉学习记忆等，当蛋白浓度达到一定阈值时，便成为永久性记忆[4-6]。-1 转基因鼠的研究也显示，-1 基因敲除导致小鼠晚期 LTP 消失，表明其在相关突触可塑性中起着重要的调节作用[7]。此外，近年的研究表明，-1 作为突触活动相关的转录因子可调控新生神经元在拓展和修复学习记忆相关的突触可塑性中发挥重要作用[8-9]。因此，本文将综述近年来的相关研究进展，阐明-1 在学习记忆相关突触活动和神经网络中的作用及机制，并提出对-1 调控新生神经元整合进入功能神经网络的表达方式及相关机制通路研究的重要性。

1 egr-1 生物学特征及在学习记忆中的作用

-1 基因（又被称为 zif268、NGFI-A、Krox-24、TIS8 或 ZENK）属于即刻早期基因类（immediate early genes，IEG），普遍存在于从酵母到人的真核细胞基因组中，其编码区长度为 3.8 kb，含有两个外显子和一个内含子。-1 基因可通过不同的转录起始位点编码 82 和 84 kD 两种大小的蛋白 EGR-1。EGR-1 蛋白位于细胞核内，含有 3 个锌指结构的高保守 DNA 结合阈，可识别靶基因启动子中富含 GC 的序列（5'-GCG(G/T)GGGGCG-3'）。而且，EGR-1 蛋白与 EGR 家族其他成员的锌指结构序列有高度同源性，表明该蛋白可结合于同一靶基因不同亚基的相同位点，进而调控下游的晚期反应基因的表达。此外，与 IEG 家族其他成员一样，EGR-1 蛋白在生理状态下表达量较低，但受到外界刺激时可快速短时间内被激活[10]。因此，EGR-1 蛋白作为一种可诱导的神经转录因子，在脑内可快速瞬时合成且具有不同的表达模式。

-1 基因及其表达产物在胚胎发育系统中几乎无表达，但在出生17 d后表达量逐步增加，且广泛分布在成年动物的中枢神经系统和外周组织中。研究发现，EGR-1 表达量逐步增加的时间窗与皮层、海马等脑区突触形成的时间窗相一致，提示-1 表达与突触可塑性形成有关[11]。近年来，-1 被用作学习记忆相关行为所诱导的突触活动的检测指标，越来越多的研究揭示了学习记忆相关环境刺激后记忆相关脑区中-1 表达的情况。其中，恐惧记忆相关环境刺激可增加-1 在海马、杏仁核和前额叶皮层等的表达[12-14]。成瘾相关环境线索或药物刺激可激活大脑奖赏通路相关脑区，如海马、杏仁核、纹状体、前额叶皮层等的1 表达[15]。此外，-1 作为转录因子以单独或与其他核蛋白结合构成复合体的形式调控诸多靶基因的表达，影响学习记忆相关突触可塑性的变化[2]。使用-1 转基因鼠研究表明，-1 表达在高频刺激诱导的 LTP 维持期发挥着重要作用，但其缺失并不影响基本的突触传递、神经元兴奋性和短时程可塑性[16]。水迷宫学习实验的证据也表明，空间学习可快速且瞬时增加-1 表达，提示-1 调控从短时程记忆向长时程记忆的转化[17]。因此，-1 作为与突触可塑性密切相关的转录因子在学习记忆中发挥着重要作用。

2 egr-1 与学习记忆相关的转录调控

-1 的表达与神经系统的激活有关，神经递质或营养因子的细胞外刺激及细胞内钙离子浓度的上升等均可启动下游信号通路的激活进而调控-1 表达。多项研究表明，谷氨酸可通过作用于 N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl D-aspartate，NMDA）、红藻氨酸等受体，增加胞浆内钙离子浓度，诱导-1 表达[18-19]。在体刺激皮层——纹状体通路的谷氨酸能神经元，Sgambato 等[20]研究发现，激活的-1 表达与有丝分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）/细胞外信号调节激酶（extracellularsignal-regulated kinase，ERK）激活有空间一致性。值得关注的是，对海马 DG 区 LTP 诱导信号机制研究表明，LTP 诱导和神经元中-1 表达均需 MAPK/ERK 信号的激活[21]。上述研究结果提示，-1的转录调控机制在 LTP 的诱导中发挥重要作用。使用 ERK 抑制剂，可阻止 cAMP 反应元件结合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）和转录激活因子（ets-like protein-1，Elk-1）磷酸化进而抑制-1 表达，表明激活的 MAPK/ERK 主要作用于 CREB 和 Elk-1 两个核酸结合位点。进一步的研究发现，MAPK/ERK 依赖的 CREB 和 Elk-1 磷酸化在 LTP 的维持期具有重要作用[22]，LTP 诱导早期可以导致 ERK1/2 和ERK 下游两个转录因子（Elk-1 和 CREB）的协同激活以形成和巩固晚期 LTP。使用 MAPK 激酶抑制剂可阻止 CREB 和 Elk-1 磷酸化，抑制-1 表达，进而快速导致 LTP 诱导的延迟。此外，有研究显示激活的 MAPK/ERK 是通过核糖体蛋白 S6 激酶（ribosomal S6 kinase-2，Rsk2）和 CREB/ATF 家族异二聚体结合于-1 转录调控区上游的 cAMP反应元件（cAMP response element，CRE）[23]，或直接作用于 SRE 的三元复合子转录激活 Elk-1[24]。由此可见，MAPK/ERK-CREB 通路通过作用于 CRE 或 MAPK/ERK-Elk 通路继而作用于 SRE 可能是-1 转录调控最重要的机制，这一机制在诱导 LTP 的维持期发挥着重要作用，提示其在学习记忆中发挥着重要作用。

3 egr-1 调控学习记忆的作用机制

记忆是大脑对所学信息的储存过程，根据其涉及的生理过程和记忆存留方式的不同，包括长时程记忆和短时程记忆。短时程记忆是指信息的短时间存留，不形成新的神经环路，之后不能被提取；与之相反的是，长时程记忆是在多次学习之后，形成新的神经环路以存储信息，即使经过较长时间仍可被提取。研究发现，学习记忆相关的 LTP 诱导过程伴随有-1 表达的增加[25]。失活海马神经元会降低-1 表达，损毁短时程记忆，但对长时程记忆无影响[26]。在皮层等与长时程记忆相关的脑区中，-1 表达与新的信息整合有关，可维持长时程记忆的巩固和稳定[27]。因此，-1 表达可调控相关脑区在学习记忆中的作用。

3.1 egr-1 对突触活动的调控机制

-1 作为突触可塑性相关转录因子，其调控学习记忆相关脑区神经元的突触活动的作用机制与转录调控有关。有研究显示，海马依赖型学习记忆中海马的 MAPK/ERK 被显著激活[28]，抑制 MEK 上游后使得线索或恐惧环境相关记忆[29]和空间记忆[30]受损。更重要的是，躲避性学习后海马中 MAPK/ERK、CREB 和 Elk-1 表现出同步激活，提示-1 转录调控相关因子的激活作用是学习记忆所必需的。综合上述研究表明，ERK-CREB/Elk-1--1 信号通路在-1 调控的记忆相关突触活动中发挥着重要作用。

3.2 egr-1 对神经网络的调控机制

突触活动的长时间改变包括突触可塑和神经网络的变化，会导致功能神经网络的重塑。大量研究发现，-1 是突触可塑性从短期向长期转变及长时程记忆建立所需的条件之一[31]。大脑神经发育形成复杂神经网络的过程中，-1 可调控新生神经元整合进入神经网络进而达到记忆存储的目的[32]。因此，我们推测-1 在学习记忆相关神经网络中的作用机制有两种：一种是作为转录因子直接调控成年神经元突触活动，影响其突触可塑性从短期向长期的转变及长时程记忆形成，进而重塑神经网络结构；另一种是通过调控新生神经元及其树突结构和数量等，影响新生神经元向功能神经网络的整合。

目前，较多的研究关注于前者，而关于新生神经元整合进入功能神经网络时-1 动力学的研究，仅有少数报道检测了 DG 新生神经元中-1 的表达对新生神经元招募进入学习记忆相关的神经网络的作用[33]。将-1 转录表达作为相关行为刺激后新生神经元激活的检测指标，相关研究揭示了表达-1 的新生神经元是学习记忆相关行为表现所需的条件之一[32]。对嗅球新生神经元成熟过程中-1 表达的研究发现，嗅觉相关学习过程中，40% ~ 55% 新生神经元与嗅觉记忆表现相关且同时表达-1[34-36]。海马 DG 区中表达-1 的新生神经元随着时间推移（出生1 ~ 6 周后）占比由 1% ~ 2% 逐渐增加为 25% 左右[33, 37-38]。新生神经元成熟后，可通过新的功能性连接或增强突触可塑性的方式快速整合进入功能神经网络。将-1 表达作为学习记忆提取过程中神经元功能招募的指标。研究发现，DG 新生神经元功能性整合过程中-1 显著被激活（2 周：10%；3 周：25%；10 周：5%）[39]，提示 DG 中表达-1 的新生神经元优先被招募整合。使用 5-溴脱氧尿苷（BrdU）作为新生神经元的标记物检测-1 转基因敲除鼠新增殖细胞的命运，结果表明，-1 在出生后的 2 ~ 3 周内调控着新生 DG 神经元的重要成熟阶段[40]。进一步检测这一重要阶段r-1 缺失后的功能影响，研究发现，在空间学习的重要阶段（18 d），-1 的缺失将影响 DG 新生神经元招募，提示新生神经元中-1 表达对神经元向功能网络的整合具有重要作用[41]。综合以上研究发现，-1 是神经元整合进入记忆网络所必需的。目前，虽然已有大量研究显示癫痫、海马高频刺激输入、环境刺激、训练或空间学习记忆提取等诱导的突触活动可调控新生神经元中-1 表达。关于其机制，有研究发现-1 缺失会导致 GluR1 表达水平下降，降低了 NKCC1/KCC2b 氯化物协同转运子的效率，改变了树突发育并使得树突棘生长缺失[32]，而且在神经精神疾病中，-1 通过调控下游谷氨酸脱羧酶（glutamic acid decarboxylase 1，GAD1）发挥着重要作用[42]。然而，尚未有研究比较新生神经元整合进入功能神经网络前不同阶段特定脑区新生神经元-1 的表达情况及其机制通路，更多的研究还有待开展，以阐明-1 如何在各种类型的新生神经元整合入神经网络的过程中发挥作用。

4 小结

综上所述，-1 通过 MAPK/ERK-CREB-CRE 或 MAPK/ERK-Elk-SRE 通路转录调控而影响生命早期的神经结构和组成，在学习记忆相关神经元突触活动及突触可塑性变化中发挥着重要作用，但其具体作用机制亟待进一步研究。此外，鉴于-1 在生命早期对记忆相关神经元突触可塑性的重要影响，若能利用合适的研究模型研究新生神经元发育过程中不同时序下-1 调控新生神经元发生及其神经网络整合的分子机制，将为操控复杂神经网络中不同脑区或不同类型神经元的-1 表达提供新的理论基础，为认知功能障碍提供新的治疗策略。

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国家自然科学基金（81370700、81470911）；上海交通大学“医工交叉”基金（YG2016MS32）

周君梅，Email：junmei_zhou@139.com

2017-09-19

10.3969/j.issn.1673-713X.2018.01.014