LTP好总结.docx

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LTP好总结

谈到LTP不能不提到DonaldHebb以及他在1949年说过的一段话：

``Whenonecellrepeatedlyassistsinfiringanother,theaxonofthefirstcell

developssynapticknobs（orenlargesthemiftheyalreadyexist）incontact

withthesomaofthesecondcell.” 

``WhenanaxonofcellAisnearenoughtoexciteacellBandrepeatedlyor

persistentlytakespartinfiringit,somegrowthprocessormetabolic 

changetakesplaceinoneorbothcells,suchthatA’sefficiencyasone

ofthecellsfiringB,isincreased.” 

这段话预言了学习记忆的机制——LTP的发现。

1973年，Bliss等在海兔海马的单突触传入通路上给与短串强直刺激后，使突触后细胞的兴奋，突触后电位出现长达数天乃至数周的振幅增大，这种现象称之为长时程突触增强（LTP）。

从此，LTP受到了神经科学家的广泛重视，认为是学习和记忆的基本神经基础。

1983年，科学家发现NMDA（N—甲基—D—门冬氨酸）受体通道复合体在LTP过程中起着重要作用。

关于LTP的诱导和形成机制，文献上研究和讨论最多的是哺乳动物海马CA1区的LTP。

有关机制可以简略概括为：

当突触前的传入纤维受到高频刺激时，兴奋性神经递质谷氨酸从突触前膜到突触间隙，和突触后膜上的NMDA受体结合，激活NMDA受体，使阻碍钙离子内流的镁离子被移除，大量钙离子内流，激活细胞内的一系列分子过程，最终形成LTP。

在以后的一段时间内，我计划从各方面分别讨论LTP的诱发和形成机制，今天刚刚列了一个大纲（继续补充，希望大家提建议）：

1．Theimportantmolecules:

（1）钙离子

（2）NMDA 

（3）aCaMKII

（4）PKA

（5）immediateearlygene

（6）CREB

（7）AMPA

（8）Retrogrademessenger

（9）其他离子通道

（10）alpha-actin

（11）PP1

（12）PSD-95

2．海蜗牛中的LTP的研究

3．MossyfiberLTP

4．CerebellumLTP

5．其它脑区的LTP

6.抑制性神经元在ＬＴＰ中的作用

7．转基因技术和基因敲除技术在LTP研究中的应用举例

8．intrinsicexcitabilityandLTP

9．metaplasticity——LTPofLTP

10.LTPorLTD?

——timing

11.EpigeneticsandLTP

12.来自形态学研究的证据——SpinearchitectureandLTP

13.尚未结束的战争：

LTP——pre-syanpticorpost-synaptic?

14.……（请补充）

15.……（请补充）

......

......

-2．各种LTP纪录的protocol方法集锦

-1．其他

下次我首先讨论aCaMKII在LTP的形成和学习记忆中的作用，发表时间大概在下周末左右。

在讨论完aCaMKII后还没有想好,如果各位战友对某一个小主题感兴趣可以提出来，可以在讨论完aCaMKII后展开讨论（-1.其他和-2各种LTP纪录的protocol方法集锦我从现在开始积累，不能提前）。

另外，毕竟和LTP相关的研究太广泛了，一个人的力量有限，我一个人写完这么多方面速度可能和蜗牛相比，有兴趣的战友我们可以共同完成这个主题，每人分担其中的一个或几个方面的总结。

关于LTP的具体实验问题的讨论，如果有问题的战友可以直接跟帖提出问题，我会一一回贴回答。

随着神经科学的发展，神经电生理技术作为检测细胞/组织功能的一个实验手段，越来越受到众多学者们的重视。

考虑到做LTP相关实验的战友越来越多，为此，我们特别邀请bluebacopa战友开一个专题讨论，bluebacopa在神经电生理方面有很多经验和体会，也很愿意和大家交流，希望战友们积极参与讨论！

我们对bluebacopa表示感谢！

LTP的分子机制

1。

CaMKII

（1）

CaMKII这个蛋白是个很特殊的蛋白，在脑内含量非常高，大约占总蛋白量的1-2%。

在突触部位的含量很高，并且是PSD（postsynapticdensity）主要蛋白。

但这个蛋白最特殊之处是其具有自身调节能力，仿佛自己本身就是一个具有学习记忆的功能。

让我们看看这个蛋白的“光辉形象”。

从外部看这个蛋白的形状象两片重叠在一起的雪花，12个亚基（subunit）形成一个双层的六角形，12个亚基排列的非常规则。

除了这个美丽动人的外表之外，这个蛋白作为与学习记忆,与LTP密切相关的重要蛋白之一，有着她自己独特的分子生物学特性---自身具有记忆功能。

CaMKII有四种亚型（isoform），分别为α，β，γ，δ，其中以α，β在脑内的含量最高。

这里我只说α亚型，也就是αCaMKII的故事。

说到分子结构，首先要知道的就是这个分子有几个结构域（domain）。

αCaMKII的每一个亚基有四个结构域，一个催化活性结构域，自身抑制结构域，自身磷酸化结构域，一段Self-associationdomain（包含一段自由可变区）。

催化活性域由底物结合位点，具有催化活性，这一结构域具有催化磷酸转移酶反应的作用；Self-associationdomain是多个亚基互相结合不可缺少的，我想不需要过多的讨论。

但这个蛋白的自身抑制结构域和自身磷酸化结构域非常特殊，咳，咳，注意了，你可以忽略刚说的这一段让人感觉很枯燥的话，但不要忽略下边一段。

刚说了，这个蛋白分子有一个催化活性结构域，但由于有自身抑制结构域的存在，在正常的情况下催化活性结构域并没有催化活性。

自身抑制结构域的作用就像是一把锁，在自身抑制结构域内有一段蛋白结构和CaMKII的催化底物结构相似，这个假催化底物区占据催化域中的底物结合位点（S-site）,使酶无法和底物结合，抑制其磷酸激酶活性。

开这把锁的钥匙就是“钙离子/钙调蛋白复合物”，当细胞受到高频刺激，NMDA受体开放，钙离子内流，细胞内钙离子浓度增高，就有了开锁的钥匙了。

不过这把锁很怪，一旦打开了，就很难再锁上了，总开着。

是因为和钙离子/钙调蛋白结合以后，“锁区”---自身抑制结构域中的T-site中的一个氨基酸位点（Thr286）被相邻的亚基磷酸化，邻近结构发生变化，不再能够和S-site结合了。

这时即便是细胞内的钙离子已经降低了，由于相邻亚基的互相磷酸化作用，这个CaMKII一直处于活化状态（记忆？

）。

CaMKII的分子记忆功能就表现在这里：

她自己能够“记住”曾经和钙离子/钙调蛋白复合物结合过，并且这个记忆可以保持一段时间（几分钟到一小时，对分子来说已经很长了）。

（快乐的鸽子留言：

如果觉得很枯燥，可以开始走神了，可以自动跳过下一段）

所以，CaMKII在细胞内有3种不同程度的活化状态：

a.不包括自身磷酸化的活化状态：

受到的刺激比较弱，12个亚基中的某一个或两个不相邻的亚基和钙离子/钙调蛋白短暂结合而活化，0.1s-0.2s后失活。

（0.1s-0.2s正好是钙调蛋白和CaMKII的解离时间常数）

b.自身磷酸化状态：

受到的比较强的刺激的时候，钙离子升高的时间和幅度都增大，同一个全酶（holoenzyme）结构中的至少两个亚基和两个钙离子/钙调蛋白复合体结合。

一个钙离子/钙调蛋白复合体激活一个亚基A，同时另一个钙离子/钙调蛋白复合体激活相邻的亚基B并引起亚基B的变构，使Thr286暴露出来，被亚基B被亚基A激活，然后亚基B可以进一步激活亚基C,直到整个全酶的12个亚基都被活化。

一旦被激活后，即使是细胞内的钙离子水平已经下降到正常水平，CaMKII还可以继续保持活化状态。

这种活性状态可以持续几分钟，直到Thr286位点去磷酸化失活。

c.第三种状态：

自身磷酸化的过程经常和去磷酸化过程同时存在，但当细胞受到的外界刺激很强时，自身磷酸化的速率大于去磷酸化的速率，CaMKII蛋白表现为长时间持续活化状态。

CaMKII的这一特征是MaeyKenney（http:

//www.its.caltech.edu/~mbklab/index.html）的实验室在1986年发现的。

在1989年，robertomalinow（http:

//malinowlab.cshl.edu/people.html）和RichardTsien（http:

//www.stanford.edu/group/Tsienlab/）发现抑制突触后的PKC和CaMKII抑制LTP的诱导。

CaMKII的这些特点：

脑细胞内尤其是PSD中含量高，具有“分子记忆功能”---自身磷酸化，抑制CaMKII后抑制LTP的诱导，都提示CaMKII在LTP的形成过程中和学习记忆的过程中可能发挥重要作用。

正好这时，有两个科学家开始了一个将产生惊人结果的实验。

导师SusumuTonegawa由于发现了产生抗体多样性的遗传原理，刚得到了一个诺贝尔医学奖不久（1987年），博士后AlcinoSilva刚得到遗传学的博士学位，两个原研究领域与学习记忆毫不相关的人决定研究学习和记忆的分子生物学机制（现在AlcinoSilva把这个方向的研究叫做MolecularandCellularCognition（http:

//www.molcellcog.org）。

两个科学狂人（一个觉得做免疫就那样了，反正已经得了诺贝尔奖了，再做做别的领域的研究，另一个初生牛犊不怕虎）用了不到3年的时间，第一次把基因敲除的方法用到了学习和记忆的研究中，敲除了脑内一个蛋白--CaMKII，彻底抑制了LTP的诱导，同时发现动物的空间学习记忆功能严重受损。

这个结果以背靠背的两篇article的形式发表在Science杂志上，到目前已经共被引用了一共1000多次。

（http:

//www.tonegawalab.org/index.htm；http:

//www.silvalab.org/）（快乐的鸽子留言：

看来要想科研非常成功，首先脑子不正常，要敢想敢做，心有多大，舞台就有多大，难呀。

）

证明了CaMKII在LTP的诱导和学习记忆中的作用，从CaMKII的特殊分子特点可以推断出，下一步就是需要证明CaMKII的这一特殊分子特点（Thr286位点磷酸化引起的自身磷酸化）在LTP和学习记忆中的作用了。

这时AlcinoSilva已经在冷泉港实验室建立了自己的实验室，他的博士后已经开始着手做这方面的实验了，后来的结果证明是，只需改变CaMKII蛋白中的的一个氨基酸，就足以对LTP和学习记忆产生影响了。

（快乐的鸽子留言：

今天就写这些了。

下次接着写Thr286的结果，顺便讨论一下基因敲除技术。

以及CaMKII的失活过程的调节位点，CaMKII对AMPA的作用，CaMKII和NMDA受体的相互作用，以及这些分子间的相互作用实如何影响LTP和学习记忆的。

PS:

我是利用实验之余的时间写的，同时还在准备博士毕业写论文，没有特别认真准备，想到哪儿写到哪，写得比较粗糙，难免有错误和遗漏之处，敬请各位战友不吝纠正和补充，这样才能真正达到讨论交流和互相学习的目的。

我明天还要去开一个会，下星期4才能回来，今天仓促贴出这一段，以做到我开始时说的每星期帖一段，下周末开会回来再把CaMKIi的第二部分写完。

在证明了CaMKII在LTP的诱导和记忆的形成过程中是必需的（necessary）了之后，下面一个问题就是CaMKII的激活是不是足以诱导LTP（sufficient）。

在1994年，Malinow所领导的实验小组证明了用重组牛痘病毒介导在海马突触后神经细胞内表达组成性激活的CaMKII，可以引起LTP。

这篇文章在证明了CaMKII的重要性的同时，还在当时LTP到底是突触前还是突触后机制的大论战争中为“突触后派”提供了一个重要的证据（关于突触前和突触后的问题以后讨论）。

在AlcinoSilva1992年发表的基因敲除CaMKII的文章里，在敲除了CaMKII之后，还在留了一个尾巴，在原基因组留下了用于筛选阳性克隆的neo基因。

虽然这给大家留下了一个问题：

导致LTP缺失和学习记忆受损会不会是留下的这个neo尾巴呢？

由于当时已经有很多实验表明了CaMKII在学习记忆中重要性，所以小问题并没有影响着两篇章要文章在science上出现。

[*基因敲除技术（参考

在1998年，AlcinoSilva自己领导的实验室在Science上又发表了一篇文章，第一作者是现在UniversityCollegeofLondon的教授KarlpeterGiese（http:

//www.anat.ucl.ac.uk/staff/personalpages/petergiese.shtml）。

在这篇文章中，作者利用新的基因嵌入技术，基因嵌入的方法与基因敲除基本上是一样的，不同的是不但把整段基因都敲除除去，而是用一段外源性的基因代替内源性的基因，CaMKII中的自主磷酸化位点上的第286个氨基酸threonine被一个氨基酸alanine所代替，使CaMKII不能够在这一位点被激活，实验的结果是仅仅一个氨基酸的变化就引起了LTP诱导不出，小鼠的学习记忆受损，这个T286位点地自身磷酸化是LTP的诱发所必需的。

另外在1994年，2000年诺贝尔奖获得者ericKandel实验室发表了2篇文章，利用可调节的T286D转基因小鼠，使处于持续活化状态的CaMKII大量表达，发现强刺激100Hz的刺激所诱导的LTP是正常的，但较低品率5-10Hz刺激所诱导的LTP受损，诱导LTP所需要的域值升高，在行为学实验中转基因组的表现明显比对照组差。

这一行为结果可以拿来和下面YpeElgersma的文章对比来看，一个是LTP诱导的域值下降，一个LTP诱导的域值上升（关于可调节的转基因系统-tTA/tet-O系统，见下一贴）

CaMKII自身的磷酸化调节位点除了T286以外，还有一个重要的调节位点，那就是位于305位和/或306的两个threonine.这两个位点也是自身磷酸化位点，但和T286不同，这两个位点的自身磷酸化使蛋白的激酶活性受到抑制，所以这两个位点被称为抑制性自身磷酸化位点。

体外的实验表明，在T286被磷酸化后，很快发生T305,306位点的抑制性磷酸化过程。

在基础水平（basallevel）,这两个位点处于持续被磷酸化的状态中。

（ShenK,1999）体外实验还发现T305,306两个位点的磷酸化使CaMKII和PSD区蛋白的结合减弱，T305,306这两个位点上的磷酸化过程在LTP的诱导和学习记忆中的作用在Silva实验室的另一篇文章中被揭示。

2002年，Silva实验室的博士后YpeElgersma（：

http:

//www2.eur.nl/fgg/neuro/research/Elgersma/main.html）在neuron上发表了一篇文章，在这篇文章中，作者们做了两组系的基因潜入的小鼠，一组是TT305/6VA系，305，306l两个位点上的两个threonine杯不能磷酸化的两个氨基酸所代替，所以TT305/6VA的305，306两个位点不能够被磷酸化，使CaMKII不再具备抑制性自身磷酸化功能。

第一组是T305D，threonine被aspartate所代替，aspartate本身带负电，干扰CaMKII和Ca/CaM结合，抑制T286位点的自身磷酸化，其效果是和T305,306位点的磷酸化一致的，就是使CaMKII处于失活状态。

结果和预测的一致，T305,306两个位点的磷酸化可以使PSD区的CaMKII蛋白减少。

随后的LTP诱导实验结果很有趣：

1．先看TT305/306VA：

a.在比较弱的刺激下：

100Hz/0.04s或10Hz/10s的刺激，在野生型对照组小鼠中诱导不出LTP，但在TT305/306VA小鼠中诱导出了LTP。

b.在比较强的刺激条件下，2-thetaburst刺激或100Hz/1s的刺激，在野生型和突变小鼠中诱发了相同幅度的LTP。

说明TT305/306VA的点突变使LTP的诱导刺激的域值降低了。

2．T305D更为戏剧性a.首先由于T305D这个点突变使CaMKII一直处于失活状态，几个不同的常用诱导条件（2-thetaburst刺激或100Hz/1s的刺激）都没有能够诱导出LTP。

这点还能够理解。

B.但使人吃惊的是完全敲除CaMKII却能够诱发出一定程度的LTP，只是比野生型对照组的显著要小。

这一点文章给出了解释,在完全敲除alphaCaMKII的小鼠中，betaCaMKII有明显的代偿性增加。

再来看行为学实验结果：

1．先说T305D，完全诱导不出LTP，水迷宫实验的结果是动物根本就学不会，连续训练8天或14天的结果还是随即的搜索4个象限。

alphaCaMKII完全敲出的突变组比对照组要差，但还有一定的学习能力，这和LTP结果一致，可能也是因为betaCaMKII的代偿作用。

2．但是在TT305/306VA中，更容易诱发出LTP，但水迷宫实验的结果是第8天和对照组相同，在第14天比对照组还差。

比对照组学的慢，和LTP的结果并不一致。

然后实验者把隐藏的平台又换了一个位置，动物必须学找到新的平台位置同时忘掉原来的平台位置，突变组的动物学的还是慢。

这说明容易诱导LTP并不一定总伴随着学习记忆能力的增强。

LTP诱导容易的一个结果还可能是脑内产生过多的“噪音”，干扰正常的学习记忆过程。

关于alphaCaMKII在LTP诱导中的作用暂时写道这里，这里先主要说了CaMKII自身调节位点的磷酸化过程在LTP诱导中的作用。

另外，CaMKII本身还具有其他多个重要的蛋白结合位点和调节位点，比如和NMDA受体，AMPA受体的结合和相互作用等，在LTP的诱导和表达过程中也非常重要，在以后具体写到相应的受体时再详细讨论。

接下来我开始写NMDA受体在LTP诱导中的作用，还会写到LTP诱导过程中CaMKII和NMDA受体的相互作用。

大概会在周末的时候发第一部分。

附：

可调节的转基因系统之一：

转基因表达的“开关控制系统”---tTA/tet-O系统和rtTA/tet-O系统. 

tTA/tet-o系统用的是两组转基因表达在同一组小鼠上，其中tTAgene在CaMKIIpromoter（根据所要表达部位的不同可用不同的promotor）的控制之下，使tTA基因只表达在前脑的兴奋性细胞中。

另一组准基因系统是tet-Opromoter控制之下的目的基因，tet-O基因可以被tTA激活，而且只有在tet-Opromoter被激活之后，目的基因才开始表达。

当两组转基因表达在同一动物上时，CaMKIIpromoter使tTA基因只表达在前脑的兴奋性细胞中，tTA基因表达一种蛋白（真核细胞转录启动因子）激活Tet-Opromoter,启动目的基因的表达，这是目的基因的表达处于“开”的状态。

但给小鼠的水或饲料中添加doxycycline一段时间后，tTA的活性受到抑制，目的基因的表达也随之被“关闭”。

这一个“开关控制系统”有两个缺点：

一是在小鼠的发育过程中，目的基因的表达是处于“开”的状态，外源性的转基因经常是对动物有害处的，可能影响小鼠的发育。

即便是在小鼠很小的时候就用doxycycline使目的基因处于“关”的状态，doxycycline可以在动物的身体内沉积，使doxycycline很难以被清理出动物体内

由于以上缺点，Kandel的实验室有开发了另一个“开关控制系统”：

rtTA/tet-O系统，其原理和tTA/tet-O系统的原理是一致的，但这个系统使目的基因在开始的时候是处于“关”的状态，只有在通过在水或者饲料中添加doxycycline才能使目的基因处于“开”的状态。

另一个可诱导的转基因表达系统是受变异的雌激素受体控制的，以后写到

Creb和LTP的关系时再写。

在pubmed中输入NMDA可以查出23471篇文章，输入NMDA和LTP两个关键词可以查出1158篇文章，可见关于NMDA的研究已经非常详细非常深入了。

LTP的是在1973年第一次被Bliss和Lomo发现的，很快就抓住了大家的眼球，对于LTP和学习记忆的关系，LTP的机制进行了充分的研究，现在我们都已经知道NMDA在LTP的诱导中有着重要的作用，在某些部位和形式的LTP诱导过程中是必不可少的。

第一次认识到NMDA受体（CollingridgeGL,KehlSJ,McLennanH.1983）在LTP诱导中的重要作用是在LTP发现之后10年，1983年。

第一次发现LTP的文章发表在JPhysiol，第一次发现NMDA在LTP中的作用也是在JPhysiol，那时的JPhysiol比现在影响大的多。

在这个实验中，作者们选用了NMDA的特异拮抗剂APV，发现APV在基础条件下对CA1区的fEPSP没有影响，但可以阻断高频刺激所引起的LTP的形成。

对NMDA受体在LTP诱导中的作用提供了有利的证据。

自从这个实验以后，同样的方法又被用了无数次用以证明某种形式或部位的LTP是不是NMDA受体依赖性的，所以这个实验堪称经典实验之一（一点题外话：

APV的全称是DL-2-amino-5-phosphonovalerate，在欧洲都叫做APV，在北美叫做AP5，在中国叫做……，反正我把这两个名字换着用，体现者中国的博大精深。

在历史上对NMDA受体的研究有重要影响的有两个：

一个是NMDA受体基因的分子克隆，另外一个就是工具药APV的使用。

第一次克隆NMDA基因是在1991年由东京的一个实验小组得到的。

）

NMDA在LTP诱导中的重要性现在已经是众所周知的。

其实NMDA这个受体很好的体现了LTP的3大特性之一：

联合性。

首先看一看NMDA的分子结构，这一部分写得比较枯燥。

我分以下几点简单的写一些：

a.谷氨酸受体分类b。

NMDA受体的拓扑学c.NMDA受体的亚基组成；

基本上可以归结为几句话：

1。

谷氨酸受体分3类，NMDA受体是其中的一种。

2。

NMDA结构有细胞外的N端，3个跨膜区，一个膜内的Loop，细胞内的C端。

3。

每个NMDA有4个亚基，其中有2个必不可少的NR1亚基，和两个NR2A和/或NR2B亚基组成。

NR2A和NR2B亚基是近来LTP/LTD研究的又一轮热点之一。

以下是较详细的一段描述，写得很枯燥，没有耐心者建议可以忽略，不影响对以后内容的理解。

a.谷氨酸受体：

谷氨酸是中枢神经系统内最重要的兴奋性氨基酸递质，谷氨酸受体有两种:

即代谢型受体（metabotropicglutamatereceptors,mGluRs）和促离子型谷氨酸受体（ionotropicglutamatereceptors,iGluRs）。

（小声说，其实这两个古怪的名字是我刚刚google出来的，觉得很别