黄 蒙， 张俊芳， 王钦文， 陈慧敏

(1宁波大学医学院生理学与药理学系， 2宁波市第二医院神经内科，浙江 宁波 315211)

在中枢神经系统中，突触可塑性作为学习记忆的主要表现形式，需要多种信号通路的参与，以及新蛋白质合成。转录因子cAMP反应元件结合蛋白(cAMP response element-binding protein，CREB)依赖的转录调控在突触可塑性的维持过程中发挥重要作用，有助于短时程记忆向长时程记忆转换[1-7]。CREB依赖的转录取决于多种细胞机制，包括CREB第133位丝氨酸(Ser133)磷酸化、CREB结合蛋白(CREB-binding protein，CBP)等特异性调节因子的参与。以往研究认为，神经元活性升高增加转录因子CREB的磷酸化水平，在CBP的协同作用下介导含cAMP反应元件(cAMP response element，CRE)序列基因的表达[8]。但有研究报道，CREB的磷酸化水平与CRE靶基因表达水平不一致[9-10]。近年来，在成年大鼠脑内新发现一类CREB调控的转录共激活因子(CREB-regulated transcription coactivators，CRTCs)。CRTCs作为CREB的调节因子，不需磷酸化CREB Ser133就能促使靶基因的转录[11]。研究报道CRTC1活动依赖性的细胞核聚集是海马长时程增强(long-term potentiation，LTP)维持的必需过程[12]。本文针对CRTC1的发现、调控相关分子机制、在突触可塑性中的作用以及和神经系统相关疾病的研究做一综述。

1 CRTC1概况

1.1CRTC1的发现 CRTCs是一个主要调节CREB转录因子活性的蛋白质家族，2003年首先由诺华制药公司的科研人员利用基因组高通量筛选发现。CRTCs首次发现时被命名为TORC(transducer of regulated CREB)[11]，为了与哺乳动物雷帕霉素靶点mTORC(mammalian target of rapamycin)名称相区别，NCBI重新命名为CRTCs。功能性CRTCs基因被证实存在于果蝇、鼠类及人类中。哺乳动物的CRTCs家族有3个成员，即CRTC1、CRTC2和CRTC3。3种亚型在N端同源性高，其高度保守的卷曲螺旋结构域(coiled-coil domain)能与CREB的碱性亮氨酸拉链结构域(basic leucine zipper，bZIP)相结合，提示其对CREB依赖的转录调控可能具有重要作用[13]。

1.2CRTC1的分布 研究发现CRTC1在脑组织中高表达，主要分布在海马和大脑皮层[12,14]。在海马神经元中主要表达于细胞质和树突结构中，在胶质细胞和中间神经元中都不表达[15-16]。CRTC2和CRTC3普遍表达于多种组织中。CRTC2主要分布在肌肉组织，在部分脑区也少量表达，目前已经证实CRTC2主要与高血糖、胰岛素耐受及血脂功能紊乱相关。CRTC3则主要分布在淋巴细胞和肺组织中，在中枢神经系统中表达很低，目前研究较少。因此，CRTC1与中枢神经系统的功能有着密切的关系。另外，序列分析显示CRTC1基因主要存在于鼠类和人类中，在鼠类CRTC1基因包括1 893个碱基对组成的开放阅读框，能够编码630个氨基酸残基，CRTC1在鼠类和人类中核酸水平有88%的同一性[12]。

1.3CRTC1活化、调控的分子机制 研究发现，CRTC1在神经元中的分布与活性受神经元活动影响。CRTC1通过其第177位丝氨酸(Ser177)磷酸化，以非活性的状态储存在细胞质中，并且与14-3-3蛋白结合以维持其Ser177磷酸化状态[17]。神经元中CRTC1是感受胞浆Ca2+和cAMP信号的传感器，以PP2B/calcineurin依赖性的去磷酸化方式活化后，传递突触活动信号到细胞核介导CRE靶基因转录。CRTC1在核内聚集促进CRE靶基因的表达，如bdnf、c-fos、nr4a2等，其中也包括sik1。随着神经元的继续去极化，SIK1反过来促进CRTC1磷酸化，随后使核内CRTC1减少。这提示SIK1参与了CRTC1的出核过程，在长时程神经活动过程中可能作为一个负反馈信号阻止CREB/CRTC1依赖性转录的持续激活[18]。在无谷氨酸存在或有NMDA受体拮抗剂存在时，CRTC1的核内转移过程会被阻断，提示NMDA受体的激活在诱导CRTC1向细胞核转移过程中起到重要作用[19]。另有研究报道，视网膜神经节细胞过表达NMDA受体，也会促进CRTC1向核内聚集[20]。其机制可能是NMDA受体被激活后，可进一步激活calcineurin促进CRTC1去磷酸化，进而向细胞核内转移。另外，CRTC1不仅是CREB调控转录的必需共激活因子，而且研究发现CRTC1能够与转录因子同源异型盒蛋白MEIS1A(homeobox protein MEIS1A)结合，调控Hoxb2和Meis1的转录，主要在胚胎形成、白血病及不安腿综合征中发挥着重要作用[21]。CRTC1还可能与转录因子人T淋巴细胞1型病毒(human T-cell lymphotropic virus type 1，HTLV-1)Tax蛋白和转录因子激活蛋白1(activator protein-1，AP-1)结合，进而调节相关基因的表达，促进细胞增殖及白血病形成[22-23]。

2 CRTC1在cAMP-PKA-CREB通路中的作用及机制

CREB是bZIP蛋白家族成员之一，是一种位于细胞核内的转录因子，分子量为43 kD，能够与DNA调控序列CRE结合，进而调节CREB依赖的靶基因表达[24]。利用RNAi沉默CRTC1 能抑制神经元活动引起的CRE靶基因转录，过表达CRTC1本身可以增强 CRE 靶基因转录，证明CRTC1激活是神经元活动依赖的CRE 靶基因转录的充要条件[25]。一方面，当细胞受到外来信号刺激，激活胞内钙调蛋白(calmodulin，CaM)Ⅱ/Ⅳ、蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、CREB-1和CREB-2信号通路，通过CREB Ser133磷酸化途径使激酶诱导结构域(kinase inducible domain，KD)与CBP KIX结构域相互作用激活靶基因转录[26]；另一方面，当Ca2+和cAMP浓度变化时，细胞质内CRTC1去磷酸化活化并转移至细胞核内，通过其N端螺旋状结构域与CREB bZIP结构域结合，通过非磷酸化途径激活CRE靶基因转录[13,25]。

CRTC1可能通过增强CREB与RNA聚合酶起始复合物相互作用，或者增加CREB对某些启动子的DNA结合位点的占用来促进转录过程。CREB K290位氨基酸是CREB与镁离子结合的主要位点，K290突变后能够增加CREB的接触表面，从而使CRTC1不仅与CREB bZIP结构域结合，而且与CREB 碱性区相结合，因此提示CREB K290在DNA结合、CRTC1与CREB结合及CREB相关转录过程中发挥着重要作用[27]。另外，当细胞内cAMP升高时，可引起CREB S133磷酸化，同时引起CRTC1向胞核内转移，从而促使CBP和CRTC1分别整合到S133磷酸化区域和bZIP结构域。一些研究发现，CBP-KIX与CRTC1能相互连接发生协同作用，诱导CBP与CRTC1的连接可能会导致CREB上共转录因子CBP-CRTC1复合物形成，最终使CRE靶基因表达水平增加[28]。

3 CRTC1在树突生长发育中的作用

树突棘是树突分支上的棘状突起，是神经元间形成突触的主要部位。树突棘的形态和功能变化对神经环路重塑具有重要作用，也是形成突触可塑性的关健因素。有研究报道，大脑神经元内含量丰富的CRTC1参与树突生长过程，且CRTC1主要通过脑源性神经营养因子(brain-derived neurophic factor，BDNF)介导对树突生长发育的调节作用[19,29]。BDNF是一种脑源性神经营养因子，是CREB调控转录的靶基因之一，对突触可塑性的维持和海马依赖的学习记忆起关键作用[30]。BDNF能够通过激活PI3K和MAPK信号通路诱导初级树突的形成，此过程暂不需要新蛋白质合成；BDNF也对树突丝长度和树突棘密度的增加发挥着关键作用，并需要新蛋白质合成[19,31]。BDNF对树突生长的调节需要CREB Ser133磷酸化，但CREB Ser133磷酸化不足以引起CREB依赖的基因转录。由此推测， BDNF促进树突长度和密度增加的机制包括BDNF诱导的CREB Ser133磷酸化和CRTC1核内转移。并且，BDNF可能通过受NMDA受体激活调控的CRTC1核内转移来影响树突生长发育过程[19]。关于CRTC1参与树突生长发育调控机制的研究还处于起步阶段，仍需进一步的研究。

4 CRTC1在突触可塑性和学习记忆中的作用

LTP被认为是与学习记忆相关的突触可塑性的细胞模型，LTP分为早期LTP(early-phase LTP，E-LTP)和晚期LTP(late-phase LTP，L-LTP)。E-LTP仅能持续几分钟到1 h，由前体蛋白修饰维持，而L-LTP则能持续几小时甚至几天，此过程则需要基因转录以及蛋白质的合成[32]。2006年中科院熊志奇教授研究组首次报道CRTC1活动依赖性的细胞核聚集是海马L-LTP维持的必需过程[12]，且随后有报道，只有在L-LTP阶段，而不是E-LTP，才能引起CRTC1核内及其周围的聚集[9]。CRTC1通过感受胞内Ca2+和cAMP浓度变化，与CREB协同调控CRE靶基因转录，参与L-LTP的维持[12,25]。Ch’ng等[15]发现Ca2+主要促进CRTC1向核内转移，而cAMP则主要维持CRTC1在细胞核内的表达。CRTC1表达上调，可能会增加K+通道通透性，使神经元兴奋性提高，还可增强记忆巩固和再巩固过程，且由CRTC1表达上调所致的记忆增强是特异性的，不会对其它新的情景产生记忆增强作用[16]。以上均提示海马脑区CRTC1是联系突触活动和细胞核内基因转录的信号分子，CRTC1通过传递突触活动的信号到细胞核介导CRE靶基因表达而维持L-LTP，并参与到记忆过程中。

5 CRTC1和阿尔茨海默病

阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)是一种表现为进行性认知功能障碍和神经精神症状为主要特征的神经退行性疾病，其发病机制仍未完全清楚。目前较为公认的是，β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein, Aβ)不能被机体及时降解和清除时，逐渐形成可溶性的Aβ寡聚体(oligomer of Aβ)和不溶性的纤维性Aβ(fibrillar Aβ)，进一步沉积形成老年斑，广泛分布于大脑皮层、海马等神经细胞之间和脑血管及其周围，导致脑病理损害的发生[33]。一系列研究表明，无论施加外源性Aβ或内源性产生的Aβ，对在体大鼠或离体脑片的海马LTP均会产生抑制作用，并可易化LTD[34-36]。Aβ对海马突触可塑性损害和突触丢失的影响可能是通过cAMP-PKA-CREB途径调控[37-39]。Aβ一方面导致cAMP表达减少，另一方面改变PKA的调节单位或催化单位，进而使CREB磷酸化水平降低。寡聚体Aβ能抑制NMDA和去极化诱导的CREB磷酸化过程。近几年研究发现Aβ可干扰CRTC1介导的CREB磷酸化过程[40]。

5.1Aβ对CRTC1活动依赖性转录的影响 研究证实在APPSw,Ind转基因鼠神经元中Aβ负性调控CRTC1发挥的效应。对APPSw,Ind转基因鼠的研究发现，约 6月龄小鼠已出现记忆力下降，此时，通过对其神经元培养可观察到Aβ40/Aβ42在脑内的聚集，同时还发现CRTC1调控的CRE靶基因(bdnf、c-fos、nr4a2)表达含量下降[10,41]。RT-PCR结果显示APPSw,Ind转基因鼠海马中活动依赖的CREB靶基因如c-fos、bdnfIV、nr4a2及arc缺失会导致长时程空间记忆障碍[42]。通过利用γ-分泌酶抑制剂DAPT抑制Aβ寡聚体的形成，能够明显逆转APPSw,Ind转基因鼠CRE靶基因转录缺陷；应用抗Aβ抗体(Ab20.1)后，却只能部分地逆转受损的CRE靶基因转录；而增加Aβ的表达则会下调CRTC1依赖的CREB转录水平[40]。

5.2Aβ干扰CRTC1活动依赖性转录的可能机制 CRTC1是胞内cAMP和Ca2+信号感受器，Aβ干扰CRTC1调控的转录机制可能是通过抑制L型电压依赖性钙通道，Ca2+内流减少，同时通过调控calcineurin来减少CRTC1 Ser151的去磷酸化[40]。在AD患者和转基因鼠脑中，calcineurin活动度减低，表达量下降[43]。Aβ削弱CRTC1依赖的靶基因表达，例如c-fos、bdnfIV以及nr4a2，其中，大量研究显示AD患者及转基因鼠脑中BDNF表达水平下降。人类大脑皮层内BDNF表达量最高的亚型是BDNF IV，当神经元活动时能够引起Ca2+内流增加，并且在Aβ形成寡聚体时BDNF IV表达量减少[44]。在SH-SY5Y成神经细胞瘤细胞中，由寡聚体Aβ42所致的BDNF IV表达量下降通常伴随着CREB磷酸化下降。行为学实验表明，APP转基因鼠脑中c-Fos表达量减少常常与学习记忆缺陷相关；下调CRTC1依赖的基因表达，如c-fos、bdnfIV以及nr4a2，常表现出早期长时间空间记忆障碍[40]。AD模型鼠的认知功能障碍伴随着CRTC1依赖的转录水平降低，提示了CRTC1表达下调在AD认知功能障碍中可能发挥着重要作用。近期研究提示，CRTC1基因敲除小鼠在行为上表现为攻击和抑郁样表现，提示CRTC1在社会活动和情绪相关的行为中十分重要[45]。综上所述，CRTC1表达或活性异常可能在AD及其它神经精神系统疾病的发病过程中起重要作用，需要进一步的深入研究，从而为临床治疗提供可能的靶点。

6 展望

目前的研究表明，CRTCs是保证CREB活性的必需条件，并且CRTCs能在细胞核质间穿梭并整合多个通路的信号，把细胞内外的信号直接传递到基因的转录水平。关于在神经元中CRTC1和其它信号通路分子的crosstalk目前还了解得很少。但与CREB激活的作用相一致，CRTC1被提示也参与神经突触发育、长时程突触可塑性和糖代谢过程。虽然已经证实CRTC1在神经形态学和可塑性方面的功能，但CRTC1在与记忆相关的活动依赖性的基因转录过程中的作用及分子机制仍不清楚，值得进一步研究。另外，Aβ可能通过影响CRTC1活性干扰与记忆相关的基因转录，从而在AD发病过程中发挥重要作用。关于神经精神疾病与CRTC1关系的报道目前较少，进一步研究CRTC1是否参与其它神经精神疾病的发病过程及分子机制的探讨应具有重要意义。

[参 考 文 献]

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