Cell ：神经元活动通过诱导转录因子实现基因表达调控

来源：BioArt

撰文 | 秋枫

面对外界刺激产生基因调控是生物系统的一个核心特征，这个过程往往伴随着诱导型转录因子（inducible transcription factors, ITF）的作用，它们能驱动相关的基因表达以促使生物体应对外界刺激【1】。无论是昆虫还是灵长类动物，感知输入、行为输出以及学习等都能诱导大脑中ITF的表达【2】。而在神经元中，细胞膜的去极化（depolarization）是ITF表达的一个常见诱因【3】。目前研究显示，突触输入和动作电位输出都能引起神经元细胞的去极化，但是，一个确定的ITF的表达是否能反映神经元的输入和输出以及是否能将此信息传入细胞核，目前还未研究清楚。

在所有的ITF中，NPAS4是非常独特的一个，因为它能被去极化诱导表达，但是却对其它外界刺激没有反应【4】。这种特性能让NPAS4选择性的将神经元的去极化信息传入细胞核中，以调控相关基因的表达。

近日，来自美国加利福尼亚大学的Brenda L. Bloodgood团队在Cell杂志发表了题为Genomic Decoding of Neuronal Depolarization by Stimulus-Specific NPAS4 Heterodimers的长文，发现了小鼠海马区中分别由动作电位输出和突触输入引起的，在空间和分子上完全独立的调控NPAS4表达的两条不同机制，通过这两条机制，动作电位输出和突触输入可以通过同一个ITF实现对相关基因的调控。

研究人员通过急性分离的脑片（acute slice）来研究NPAS4在小鼠海马区细胞中的表达。体内实验显示，1秒的动作电位（action potentials, APs）刺激便足以诱导NPAS4在锥体神经元胞体中的表达。而在体外实验中，NPAS4是在刺激后15分钟才开始出现在椎体细胞层（stratum pyramidale, SP）中，并一直持续到90分钟。Aps对NPAS4的诱导是通过L型电压门控钙通道实现的。

对突触输入的研究则是以兴奋性的突触后电位（excitatory post-synaptic potentials, EPSPs）为模型。研究显示，EPSPs刺激辐射层（stratum radiatum, SR）时，NPAS4在3分钟内开始表达，第5分钟达到顶峰，之后慢慢降低。EPSPs刺激后，在椎体细胞层胞体中同样检测到了NPAS4的表达，不过它的表达比SR中滞后，其在第10分钟开始表达，一直持续到90分钟。

因为Npas4的mRNA翻译大约需要3分钟的时间，那么，由EPSPs诱导的NPAS4在树突中的表达便不可能是由基因重头合成而来。经研究证实，EPSPs刺激SR时，树突中预先存在的Npas4 mRNA翻译为NPAS4蛋白，之后NPAS4蛋白逐步转运至神经元的胞体以及细胞核中，而树突中的Npas4 mRNA则在翻译后被降解。而APs诱导的NPAS4表达则需要基因的从头合成。

进一步的研究显示，Npas4基因有三种变体，它们的不同主要在于5’UTR区，其中包含5’UTRL的mRNA组成性表达并定位于树突中，而缺少5’UTRL的mRNA则表达在神经元胞体中。通过酶失活或者正常的CRISPR/Cas9系统，研究人员发现Npas4 mRNA的翻译受到5’UTRL上两个顺式作用因子的调控。

NPAS4对基因的调控一般是通过和其他蛋白的结合来实现的，研究显示，感官体验富足环境（enriched environment, EE）培养小鼠5分钟后，NPAS4在5-90分钟内表达，而在最初的5-15分钟内，NPAS4只与ARNT1形成异源二聚体，而到90分钟时，NPAS4能够同时与ARNT1和ARNT2形成异源二聚体。进一步的研究显示，NPAS4-ARNT2异源二聚体具有高活性的转录功能，它们主要结合在基因的启动子区，而EPSP诱导的NPAS4-ARNT1异源二聚体则主要结合在增强子上。

总之，本研究揭示了动作电位输出和突触输入以两种完全不同的方式，通过对诱导型转录因子NPAS4的调控，实现了对神经元相关基因的表达调控，进一步的研究需要在单细胞层次以及更精确的蛋白-DNA相互作用上继续深入下去。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.09.004

参考文献

1. Bartel, D.P., Sheng, M., Lau, L.F., and Greenberg, M.E. (1989). Growth factors and membrane depolarization activate distinct programs of early response gene expression: dissociation of fos and jun induction. Genes Dev. 3, 304–313.

2. Burmeister, S.S., Jarvis, E.D., and Fernald, R.D. (2005). Rapid behavioral and genomic responses to social opportunity. PLoS Biol. 3, e363

3. Chen, L.F., Lin, Y.T., Gallegos, D.A., Hazlett, M.F., Gomez-Schiavon, M., Yang, M.G., Kalmeta, B., Zhou, A.S., Holtzman, L., Gersbach, C.A., et al. (2019).

4. Lin, Y., Bloodgood, B.L., Hauser, J.L., Lapan, A.D., Koon, A.C., Kim, T.K., Hu, L.S., Malik, A.N., and Greenberg, M.E. (2008). Activity-dependent regulation of inhibitory synapse development by Npas4. Nature 455, 1198–1204.