核膜BK通道調(diào)節(jié)神經(jīng)元核鈣依賴性的基因表達(dá)及樹(shù)突分支.pdf

1、本文深入探討了在神經(jīng)元興奮-轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)過(guò)程中，細(xì)胞核膜BK通道對(duì)于調(diào)節(jié)神經(jīng)活動(dòng)依賴性的基因表達(dá)的作用。本研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元核膜BK通道通過(guò)影響細(xì)胞核周隙的鈣離子釋放，調(diào)節(jié)CaMKⅣ依賴性的細(xì)胞核鈣離子信號(hào)通路，進(jìn)而調(diào)控神經(jīng)元活動(dòng)誘導(dǎo)的CREB轉(zhuǎn)錄因子的活化，以及下游靶基因的表達(dá)，并且影響了神經(jīng)元樹(shù)突分支。
　　1.核膜BK通道通過(guò)CaMKⅣ依賴性的細(xì)胞核鈣離子信號(hào)通路調(diào)節(jié)CREB的磷酸化。
　　為了進(jìn)一步證實(shí)CaMKⅣ信號(hào)通路參

2、與核膜BK通道對(duì)CREB磷酸化的調(diào)節(jié)作用，我們分別用CaMKⅣ信號(hào)通路的特異性抑制劑STO-609來(lái)阻斷CaMKⅣ信號(hào)，和ERK信號(hào)通路的特異性抑制劑U0126來(lái)阻斷ERK信號(hào)通路，免疫熒光染色結(jié)果顯示，在分離的功能完整的細(xì)胞核上，CaMKⅣ信號(hào)通路的阻斷劑STO-609有效地阻斷了paxilline誘導(dǎo)的CREB磷酸化的升高(P=0.007)，而ERK信號(hào)通路的阻斷劑U0126沒(méi)有影響paxilline對(duì)CREB磷酸化的促進(jìn)作用。這提

3、示CaMKIV信號(hào)通路，而非ERK信號(hào)通路，介導(dǎo)了核膜BK通道對(duì)CREB磷酸化的調(diào)節(jié)作用。
　　除了分離的細(xì)胞核外，我們?cè)谕暾呐囵B(yǎng)海馬神經(jīng)元上也進(jìn)行了同樣的實(shí)驗(yàn)。由于在完整細(xì)胞上，細(xì)胞質(zhì)膜也表達(dá)有大量的BK通道，因此為了排除細(xì)胞質(zhì)膜上BK通道對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾，所有細(xì)胞都用一種BK通道的不能穿透細(xì)胞膜的肽類阻斷劑IbTx進(jìn)行了預(yù)處理，阻斷細(xì)胞膜上的BK通道而不影響細(xì)胞內(nèi)的BK通道，以排除在完整細(xì)胞上細(xì)胞質(zhì)膜BK通道帶來(lái)的影響。S

4、TO-609阻斷了paxilline誘導(dǎo)的CREB磷酸化的升高(P=0.001)，而ERK信號(hào)通路的阻斷劑U0126沒(méi)有影響這一作用。這些結(jié)果證實(shí)了核膜BK通道是通過(guò)CaMKⅣ信號(hào)通路而非ERK信號(hào)通路來(lái)調(diào)節(jié)CREB轉(zhuǎn)錄活性。
　　通過(guò)對(duì)培養(yǎng)神經(jīng)元外源表達(dá)shRNA來(lái)降低CaMKⅣ表達(dá)，我們進(jìn)一步驗(yàn)證了阻斷CaMKⅣ信號(hào)通路產(chǎn)生的作用。同樣的，在降低CaMKⅣ表達(dá)以后，paxilline不能顯著提高CREB磷酸化程度(P=0.79

5、2)，進(jìn)一步證明CaMKIV介導(dǎo)了核膜BK通道對(duì)CREB磷酸化的調(diào)節(jié)作用。此外，我們通過(guò)另外兩種方式抑制CaMKⅣ依賴性的細(xì)胞核鈣信號(hào)通路，一種是外源表達(dá)一種定位于細(xì)胞核的并且能夠螯合鈣離子的蛋白質(zhì)PV-NLS(帶有核定位序列的parvalbumin)來(lái)緩沖細(xì)胞核內(nèi)的鈣濃度升高;另一種是外源表達(dá)一種CaMKⅣ的突變體dnCaMKⅣK75E，這個(gè)突變體已經(jīng)失去了它的酶活性，因此是CaMKⅣ的一種顯性負(fù)性形式，能夠競(jìng)爭(zhēng)性抑制內(nèi)源性CaMKⅣ

6、的作用。同樣地，在外源表達(dá)了PV-NLS或者dnCaMKⅣK75E的細(xì)胞，paxilline對(duì)CREB磷酸化的調(diào)節(jié)作用減弱了(PV-NLS與dnCaMKⅣK75E組均為P=0.000)。
　　以上證據(jù)表明，核膜BK通道通過(guò)調(diào)節(jié)核鈣濃度，以及CaMKⅣ依賴的核鈣信號(hào)通路，調(diào)控CREB的磷酸化。
　　2.核膜BK通道參與調(diào)控神經(jīng)元活動(dòng)誘導(dǎo)的CREB轉(zhuǎn)錄因子活化與基因表達(dá)。
　　我們首先在培養(yǎng)神經(jīng)元上使用IbTx封閉細(xì)胞膜上

7、的BK通道，以排除細(xì)胞膜BK通道可能帶來(lái)的影響后，我們使用GABA受體阻斷劑Bicuculine阻斷GABA系統(tǒng)對(duì)神經(jīng)元的抑制作用，通過(guò)這種手段提高錐體神經(jīng)元的興奮活動(dòng)。bicuculine的處理可以誘導(dǎo)神經(jīng)元細(xì)胞核內(nèi)鈣離子濃度上升，我們通過(guò)免疫熒光染色檢測(cè)到CREB磷酸化也得到增強(qiáng)(P=0.005)。但是經(jīng)過(guò)paxilline預(yù)處理過(guò)的神經(jīng)元在接受bicuculine處理后，細(xì)胞核鈣信號(hào)變化以及CREB活性增加幅度都有減弱(P=0.0

8、27)。這可能是由于神經(jīng)活動(dòng)引發(fā)的細(xì)胞核鈣信號(hào)增強(qiáng)依賴于細(xì)胞核周隙鈣庫(kù)的充盈，而paxilline預(yù)處理促使細(xì)胞核周隙的鈣離子排出，減少了核周隙鈣庫(kù)中的鈣離子，因此減弱了bucuculine引發(fā)的細(xì)胞核鈣信號(hào)。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明核膜的BK通道能夠調(diào)節(jié)興奮活動(dòng)引起的細(xì)胞核鈣信號(hào)活動(dòng)以及CREB磷酸化。為了排除paxilline的作用是由于非特異性地結(jié)合了BK通道以外的其它靶點(diǎn)的可能性，我們?cè)贐K基因敲除小鼠(Kcnma1-/-)培養(yǎng)的海馬神

9、經(jīng)元上做了相同的實(shí)驗(yàn)，我們沒(méi)有檢測(cè)到paxilline對(duì)bicuculine誘導(dǎo)的細(xì)胞核鈣信號(hào)改變有任何影響，也沒(méi)有檢測(cè)到paxilline對(duì)bicuculine引起的CREB磷酸化產(chǎn)生抑制作用(P=0.623)，這些結(jié)果表明paxilline的作用是特異性作用于BK離子通道的。
　　為了探討核膜BK通道是否參與對(duì)調(diào)節(jié)細(xì)胞核內(nèi)鈣信號(hào)依賴的基因表達(dá)的調(diào)節(jié)，我們選取了一系列對(duì)細(xì)胞核鈣信號(hào)敏感的基因作為檢測(cè)指標(biāo)。所有神經(jīng)元用IbTx預(yù)處

10、理以排除細(xì)胞質(zhì)膜BK通道的影響后，一部分用paxilline阻斷核膜BK通道，另一部分作為對(duì)照，然后通過(guò)qPCR檢測(cè)這些基因的mRNA水平，觀察它們的表達(dá)是否受影響，以判斷核膜BK通道是否有可能參與調(diào)節(jié)細(xì)胞核鈣信號(hào)敏感的基因表達(dá)。在基礎(chǔ)神經(jīng)活動(dòng)水平下，paxilline確實(shí)能夠增強(qiáng)Fos(P=0.005),Npas4(P=0.000),Atf3(P=0.000),Btg2(P=0.007),Bcl6(P=0.000)，以及Ifi206b

11、(P=0.005)等一些神經(jīng)活動(dòng)依賴性基因的表達(dá)。Paxilline對(duì)神經(jīng)元基因表達(dá)的促進(jìn)的作用可以被CaMKⅣ信號(hào)通路特異性阻斷劑STO-609徹底阻斷(Fos，P=0.001;Npas4，P=0.001;Atf3，P=0.001;Btg2，P=0.048; Bcl6，P=0.003; Ifi206b，P=0.015)。為了更進(jìn)一步驗(yàn)證核膜BK通道對(duì)基因表達(dá)的作用，排除paxilline可能存在的非特異性影響，我們同樣在Kcnma-/

12、-小鼠的神經(jīng)元上檢測(cè)了paxilline是否還能夠引起這些活動(dòng)依賴性基因的表達(dá)。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在沒(méi)有BK通道的神經(jīng)元，paxilline不能引起這些基因表達(dá)的改變(Fos，P=0.896; Npas4，P=0.990; Atf3，P=0.896; Btg2，P=0.856;Bcl6，P=0.929; Ifi206b，P=0.929)，排除了paxilline非特異性的可能。
　　綜合這些結(jié)果，我們認(rèn)為在神經(jīng)元興奮-轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)過(guò)程

13、中，核膜BK通道對(duì)神經(jīng)活動(dòng)引起的核鈣信號(hào)活動(dòng)、CREB轉(zhuǎn)錄因子的激活，以及下游敏感基因的表達(dá)都具有重要的調(diào)控作用。
　　3.核膜BK通道通過(guò)CaMKⅣ依賴性的核鈣信號(hào)通路和CREB介導(dǎo)的基因表達(dá)，調(diào)節(jié)神經(jīng)元樹(shù)突分支。
　　為了闡明核膜BK通道是否通過(guò)調(diào)控其下游基因的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)樹(shù)突分支，我們首先在核膜BK通道調(diào)控的基因中篩選了可能參與調(diào)節(jié)樹(shù)突分支的基因。我們分別設(shè)計(jì)了一系列shRNA來(lái)干擾Fos，Npas4，Atf3，Btg2

14、，Bcl6，以及Ifi206b這些核膜BK通道的下游基因的表達(dá)，并通過(guò)sholl分析方法檢測(cè)神經(jīng)元樹(shù)突分支的復(fù)雜程度，檢測(cè)樹(shù)突總長(zhǎng)度。我們的數(shù)據(jù)表明，在這六個(gè)下游基因當(dāng)中，抑制Fos，Atf3，Btg2，Bcl6，以及Ifi206b的表達(dá)都沒(méi)有影響樹(shù)突分支復(fù)雜程度或者總長(zhǎng)度，而當(dāng)Npas4基因的表達(dá)被干擾，樹(shù)突分支的復(fù)雜程度顯著降低，樹(shù)突總長(zhǎng)度也下降(P=0.008)。這提示在核膜BK通道調(diào)控的下游基因中，Npas4可能介導(dǎo)了核膜BK通

15、道對(duì)樹(shù)突分支的影響。為了進(jìn)一步證明核膜BK通道是通過(guò)Npas4來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)元的樹(shù)突分支的，我們給培養(yǎng)神經(jīng)元用IbTx預(yù)處理后，給予paxilline抑制核膜BK通道，并用上述shRNA干擾Fos，Npas4，Atf3，Btg2，Bcl6，以及Ifi206b的表達(dá)，我們發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)Npas4基因的表達(dá)被抑制，paxilline誘導(dǎo)的樹(shù)突分支的復(fù)雜程度及樹(shù)突總長(zhǎng)的的增加被逆轉(zhuǎn)(P=0.000)，而干擾其他基因表達(dá)均沒(méi)有對(duì)paxilline的作用

16、產(chǎn)生影響。這些結(jié)果說(shuō)明，核膜BK通道是通過(guò)抑制Npas4基因的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)元的樹(shù)突分支的。
　　上述結(jié)果表明，核膜BK通道的一個(gè)生理功能是將神經(jīng)元的突觸活動(dòng)與細(xì)胞核鈣信號(hào)耦聯(lián)起來(lái)，進(jìn)而調(diào)節(jié)突觸信號(hào)從神經(jīng)元樹(shù)突向細(xì)胞核內(nèi)的傳遞過(guò)程。我們的研究揭示核膜BK通道是細(xì)胞核膜上調(diào)節(jié)神經(jīng)活動(dòng)依賴性核鈣信號(hào)的一個(gè)新的調(diào)節(jié)因子。
　　以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用(X)±SD進(jìn)行描述，統(tǒng)計(jì)分析采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)及One-wayANOVA，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為兩個(gè)