Nature背靠背|受翻譯調控的特定類型記憶存儲的神經元亞群鑑定

為了在「險象環生」的自然界中生存，動物必須要學會識別並對危險信號的刺激做出防禦響應，同時也要學會在預測安全的信號提示下抑制恐懼反應【1】。對情緒記憶生物學基礎的理解對於開發例如創傷後應激障礙（post-traumatic stress disorder, PTSD）等的記憶障礙治療十分關鍵【2】。中央外側杏仁核（centrolateral amygdala, CeL）是神經迴路中介導防禦反應的重要節點，並且是處理和存儲威脅記憶的關鍵腦區【3】。現如今，神經元已經進化為可以在毫秒級的時間範圍內動態地響應其環境，並且可以在更長的時間內穩定地存儲信息，而記憶過程中信息的穩定儲存需要從頭翻譯（de novo translation）。

近日，來自紐約大學神經科學中心的Eric Klann課題組在Nature雜誌上發表了一篇題為 Amygdala inhibitory neurons as loci for translation in emotional memories的文章，作者針對小鼠中央外側杏仁核的抑制性神經元，阻止對真核生物起始因子4E（eukaryotic initiation factor 4E, eIF4E）和真核生物起始因子2α磷酸化（phosphorylation of eukaryotic initiation factor 2α, p-eIF2α）敏感的細胞類型特異性翻譯程序，表明在中央外側杏仁核中表達生長激素抑制素（somatostatin, SOM）的抑制神經元中的從頭翻譯對於條件性恐懼反應的長期存儲是必要的，而表達蛋白激酶Cδ（protein kinase Cδ, PKCδ）的抑制性神經元中從頭翻譯對於存儲條件性安全反應是必要的。這一研究為從頭蛋白合成在中央外側杏仁核中不同抑制性神經元群體中對長期記憶鞏固的作用提供了新見解。

首先，作者開發了足底電擊預測提示音（paired conditioned stimulus, CS+）以足底電擊終止（unconditioned stimulus, US）和無電擊安全提示音（CS-）交錯進行的差異條件性恐懼實驗（differential threat-conditioning paradigm）。對照組（box-only）僅被放置在訓練環境中而不予以刺激，未配對（unpaired）訓練組則以混亂順序暴露於所有三個刺激（CS+, CS-, US），而配對（paired）訓練組則以固定順序暴露於上述三個刺激中（見圖1）。與未配對組相比，配對組中的小鼠在訓練過程中了解三中刺激的關聯，因而顯示出對連續CS呈現的凍結反應（freezing response）的升級。當對小鼠進行長期記憶（long-term memory, LTM）測試時，配對組小鼠對CS+表現出高度凍結樣反應，同時抑制了對CS-的反應。

圖1

在此過程中對杏仁核的生化分析表明，僅在配對組中出現mTORC1的激活（與帽依賴性翻譯啟動相關），而eIF2α的去磷酸化在配對和未配對組中都發生，提示不同通路控制與捕捉電擊經歷和音調-電擊相關的翻譯程序。接下來，作者重點研究表達SOM或PKCδ的抑制性神經元（inhibitory neurons, IN）群體，這兩種成分分別約佔中央外側杏仁核中所有神經元的一半，且在很大程度上是不同的。配對組的SOM和PKCδ INs中，核糖體蛋白S6的Ser 235/236位點磷酸化水平相較於另外兩組而言明顯增加，這表明mTORC1通路被激活。

接下來，作者想知道抑制CeL INs亞型中的帽依賴翻譯是否對長期恐懼記憶存在影響，設計出一種可以穩定敲低SOM和PKCδ INs中eIF4E的策略，這一策略可以大幅減少eIF4E蛋白水平並抑制CeL INs中的從頭翻譯。作者在一個簡單的音調預示電擊的恐懼條件範式中訓練SOM.4Ekd和PKCδ.4Ekd小鼠（SOM Ins和PKCδ INs中eIF4E敲低小鼠），所有小鼠均等效地學習CS-US關聯，而只有SOM.4Ekd顯示出LTM明顯不足。當給予14天的強力黴素餵養（恢復eIF4E表達），依照相同方案訓練，此時LTM得以完全緩解。隨後，在這兩種小鼠模型中完成差異條件性恐懼範式（方案見圖1），發現PKCδ.4Ekd小鼠儘管對CS+的條件威脅反應正常，但對CS-的條件安全反應表現出損傷。這些結果表明，抑制SOM和PKCδ INs中帽依賴性翻譯會分別導致條件性威脅和安全響應的選擇性損傷。

隨後，作者構建SOM.iPKR和PKCδ.iPKR小鼠，通過在體內注入IPKR的藥物誘導劑ASV，可以顯著增加CeL中SOM和PKCδ INs中eIF2α（S51）的磷酸化水平。將SOM.iPKR和PKCδ.iPKR小鼠暴露於差異條件性恐懼範式下，訓練後立即將ASV注入CeL中。儘管所有小鼠在訓練過程中均接受等效學習，但SOM.iPKR和PKCδ.iPKR小鼠的記憶缺陷卻明顯不同。SOM INs中通過增加eIF2α磷酸化來阻止一般翻譯會削弱對CS+的凍結反應，同時保持完整的安全響應和提示識別性。另一方面，用PKCδ INs中增加的eIF2α磷酸化來阻斷一般翻譯會導致安全響應和提示識別性受損，在 LTM期間對CS+的凍結反應沒有降低。這些結果表明，同時鞏固持久的威脅和安全響應，需要CeL中不同INs群體的從頭蛋白質合成。

先前已有研究報導，通過對編碼eIF2α激酶的基因進行組成性缺失或通過施用激活eIF2B的ISRIB，來緩解翻譯抑制從而增強長期的空間記憶和恐懼記憶【4】。在這項研究中，在簡單條件性恐懼範式和差異條件性恐懼範式中，CeL SOM INs中eIF2和eIF4E依賴的翻譯程序對於條件性恐懼響應是必要的，這表明SOM INs是存儲條件性恐懼記憶的主要CeL位點。相反但作為補充的是，PKCδ INs中的從頭翻譯可用於存儲條件性安全響應。

總體而言，這項研究支持以下工作模型，即CeL SOM和PKCδ INs通過改變細胞翻譯環境分別同時存儲威脅和安全提示相關的記憶，值得注意的是，安全響應受損導致的恐懼泛化（threat generalization）是PTSD的標誌性特徵。這項研究可能提供了截至目前首個證據，證明CeL中離散的IN亞群中蛋白質合成的破壞會削弱與恐懼和安全相關的聯想記憶，這可能導致諸如PTSD記憶障礙的適應不良行為。

與上篇文章類似的，在同期Nature雜誌上，來自以色列海法大學的Kobi Rosenblum課題組和來自加拿大麥吉爾大學的Nahum Sonenberg課題組合作發表題為 eIF2α controls memory consolidation via excitatory and somatostatin neurons的文章， 該研究發現學習過程可以減少海馬體興奮性神經元和表達生長激素抑制素（somatostatin，這篇研究中簡寫為「SST」）的抑制性神經元中eIF2α的磷酸化（p-eIF2α），而p-eIF2α的消融可以增強突觸可塑性及長期記憶，提出eIF2α依賴的翻譯程序會通過興奮性和表達SST抑制性神經元的自主機制來調控記憶鞏固事件。

為確認哪些神經元亞型介導減少的p-eIF2α對記憶形成的影響，作者首先檢測在學習行為過後哪些神經元中p-eIF2α的數量減少。在對小鼠進行條件性恐懼行為測試後，對其大腦進行固定染色，結果顯示興奮性神經元和SST+神經元中的p-eIF2α大量減少，且這兩種神經元中蛋白質合成明顯增加。

隨後，作者為確認學習和記憶過程中p-eIF2α在不同神經元亞型中缺失的後果，分別構建出興奮性和抑制性神經元p-eIF2α消融的轉基因小鼠。結果顯示，減少興奮性神經元中的p-eIF2α可以增強長期記憶，且促進興奮性增加和錐體神經元抑制性突觸輸入的減少，降低誘導持續突觸增強的閾值，並促進早期長時程增強（Early long-term potentiation, E-LTP）向晚期長時程增強（Late long-term potentiation, L-LTP）的轉化。此外，通過對興奮性神經元特異的翻譯譜分析和一般蛋白質組學分析，可以發現由p-eIF2α消融引起的興奮性神經元的翻譯變化與學習誘發的變化高度相似；而蛋白質組學數據顯示軸突導向相關的蛋白質水平在p-eIF2α消融組和學習組存在差異。類似地，不僅興奮性神經元中蛋白質合成的調節影響記憶鞏固，作者通過實驗驗證所有GABA能神經元中p-eIF2α消融也有助於記憶鞏固，且足以將瞬時E-LTP轉化為持續的L-LTP。此外，p-eIF2α消融可以增強SST+抑制性神經元的翻譯水平及突觸可塑性。

總的來說，記憶和突觸可塑性的鞏固早已被定義為蛋白質合成依賴性現象，可以由p-eIF2α或其他信號通路（如mTORC1）參與調節【5】。這兩項研究分別通過多種實驗手段對中央外側杏仁核和海馬體不同神經元亞群進行分析，確認與不同類型記憶（如條件性恐懼記憶，條件性安全記憶等）相關的神經元亞群，也進一步完善了神經元類型特異性地對記憶鞏固的翻譯調控機制。

原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2793-8

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2805-8

參考文獻

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2. Jovanovic, T. et al. Impaired fear inhibition is a biomarker of PTSD but not depression. Depress. Anxiety27, 244–251 (2010).

3. Haubensak, W. et al. Genetic dissection of an amygdala microcircuit that gates conditioned fear. Nature 468, 270–276 (2010).

4. Sidrauski, C., McGeachy, A. M., Ingolia, N. T. & Walter, P. The small molecule ISRIB reverses the effects of eIF2α phosphorylation on translation and stress granule assembly.eLife 4, e05033 (2015).

5. Sonenberg, N. & Hinnebusch, A. G. Regulation of translation initiation in eukaryotes:mechanisms and biological targets. Cell136, 731–745 (2009).