即刻早期基因Egr-1與學(xué)習(xí)記憶的研究進展

李曉麗 ，金孝岠 ，朋立超

（1.皖南醫(yī)學(xué)院附屬弋磯山醫(yī)院麻醉科，安徽 蕪湖 241001；2.上海復(fù)旦大學(xué)附屬上海市第五人民醫(yī)院麻醉科，上海 200240）

在神經(jīng)系統(tǒng)中，神經(jīng)元之間通過突觸相互聯(lián)系，形成環(huán)路系統(tǒng)，啟動一系列生化級聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致突觸的可塑性變化。突觸的可塑性變化是學(xué)習(xí)記憶的神經(jīng)基礎(chǔ)，尤其是長時程增強（long term potentiation,LTP）與學(xué)習(xí)記憶的研究較為深切。即刻早期反應(yīng)基因（immediate early genes，IEGs）是一組細胞經(jīng)外部刺激后最先表達的基因，是可被第二信使誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄的原癌基因［1］，是突觸誘導(dǎo)激活的基因。有研究［2］表明，在新版本的水迷宮試驗中，大鼠完成學(xué)習(xí)任務(wù)后海馬相關(guān)基因Egr-1的表達上調(diào)。而在Egr-1基因敲除的小鼠的實驗中，卻不能誘導(dǎo)出晚期LTP,說明Egr-1在相關(guān)突觸可塑性中起著重要的調(diào)節(jié)作用［3］。 H.Cheval等［4］指出，Egr-1 的活性依賴性調(diào)控，對于齒狀回突觸可塑性的建立和幾種記憶的鞏固再鞏固是非常重要的。本文就Egr-1表達以及參與學(xué)習(xí)記憶過程的機制通路的相關(guān)研究作一闡述。

1 Egr-1基因及蛋白的結(jié)構(gòu)特點

Egr-1基因又稱 Zif268、NGFI-A、Krox-24、Tis8，是IEGs中的一種，是含有3個鋅指結(jié)構(gòu)的調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子［5］，其通過調(diào)控下游靶基因的轉(zhuǎn)錄表達而廣泛影響細胞的功能，普遍存在于從酵母到人的真核細胞基因庫中。V.P.Sukhatime等［6］應(yīng)用原位雜交技術(shù)發(fā)現(xiàn)，Egr-1基因位于人的第5對染色體，編碼3.3 kb的成熟mRNA，其3’-端的非翻譯區(qū)域與其mRNA的不穩(wěn)定、容易降解有關(guān)聯(lián)。Egr-1基因的翻譯產(chǎn)物EGR-1由533個氨基酸殘基組成，分子量56.595 ku，可分為3個區(qū)域，N-末端的311個氨基酸殘基富含絲氨酸（16%）和脯氨酸（14.2%）殘基及蘇氨酸（7.9%）和丙氨酸（7.9%），這可能是磷酸化位點，調(diào)控著EGR-1的活性；C-末端116個氨基酸，亦富含上述4種氨基酸殘基，大多數(shù)脯氨酸殘基形成二級結(jié)構(gòu)，可能與配基的激活有關(guān)；中心區(qū)域由3個重復(fù)的28～30個氨基酸組成的單元相連而構(gòu)成，含有鋅指結(jié)構(gòu)，與其對DNA的黏附性有關(guān)。

2 Egr-1基因的功能

人們對Egr-1的結(jié)構(gòu)研究較多，但具體的生物學(xué)功能仍不清楚。近期逐漸轉(zhuǎn)向在體研究，轉(zhuǎn)基因小鼠的研究也見報道。許多研究提示Egr-1基因表達在長期記憶的形成過程中起著極為重要的作用，Egr-1基因的功能是通過調(diào)控結(jié)合于DNA的蛋白質(zhì)合成進而調(diào)節(jié)通路下游靶基因的活性實現(xiàn)的［7］。1）Egr-1是真核細胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，在信號傳導(dǎo)過程中起著重要的作用［8］。各種細胞外刺激信號（如藥物［9］、激素［10］、神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺［11］等）通過第二信使激活轉(zhuǎn)錄因子，誘導(dǎo)Egr-1蛋白表達，EGR-1蛋白進入細胞核與Egr-1基因的下游靶基因結(jié)合后轉(zhuǎn)錄，進而影響靶基因的表達［12］。 而 N-甲基－D－天門冬氨酸（NMDA）受體阻滯劑［13］、氯化鑭［14］等可抑制Egr-1的表達。2）EGR-1下調(diào)Egr-1基因表達，這可能是一種反向自主調(diào)節(jié)機制［15］。3）Egr-1基因參與神經(jīng)細胞生長、發(fā)育、分化等生理過程。如神經(jīng)生長因子能誘導(dǎo)Egr-1基因表達，促進細胞的生長和分化［16］，可間接影響學(xué)習(xí)記憶。

3 Egr-1基因與學(xué)習(xí)記憶

目前研究表明，海馬是腦內(nèi)學(xué)習(xí)記憶有關(guān)的重要結(jié)構(gòu)部位之一。各種信號刺激進入海馬，使突觸前膜釋放遞質(zhì)谷氨酸，作用于突觸后膜NMDA受體，使突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生LTP,繼而激活即刻早期基因。LTP是突觸可塑性形式中的一種，反映了突觸水平上信息儲存過程。E.Pastalkova等［17］的實驗表明，應(yīng)用蛋白激酶（PKMz）專一抑制劑阻斷海馬已形成的晚期LTP，能使存儲的空間記憶缺失。D.D.Pollak等［15］的實驗結(jié)果也同樣說明，海馬LTP能使突觸遞質(zhì)活性呈依賴性的增加，在同源小鼠中產(chǎn)生各種不同形式的學(xué)習(xí)和記憶。由此表明，LTP與海馬形成的學(xué)習(xí)記憶關(guān)系密切。

Egr-1是可以編碼鋅指結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子，在突觸可塑性和記憶的鞏固以及LTP的誘導(dǎo)和學(xué)習(xí)過程中都伴隨著Egr-1表達的增加［18］。Egr-1以及IEGs是神經(jīng)細胞在長期認知記憶建立的重要分子機制［19］。組織損傷能引起動物的海馬CA1區(qū)神經(jīng)元Egr-1水平的快速增加，Egr-1耦合細胞外信號和細胞內(nèi)基因表達，在海馬內(nèi)是通過刺激誘導(dǎo)出LTP而上調(diào)的。而在Egr-1基因敲除小鼠的實驗中，卻不能誘導(dǎo)出晚期LTP,說明Egr-1在相關(guān)突觸可塑性中起著重要的調(diào)節(jié)作用［3］。在Egr-1突變的小鼠海馬齒狀回，LTP早期時相表現(xiàn)正常，但其晚期時相缺失，小鼠維持所得信息的能力缺失長達24 h。在學(xué)習(xí)任務(wù)中短期記憶正常，長期記憶受損，表明Egr-1表達水平的減少對空間學(xué)習(xí)記憶影響尤為敏感［13，20］。由此可見，Egr-1的表達是突觸可塑性從短期向長期轉(zhuǎn)變以及長期記憶形成必不可少的條件之一。

Egr-1基因通過轉(zhuǎn)錄表達翻譯成蛋白重新進入核內(nèi)，與靶基因結(jié)合調(diào)控突觸可塑性相關(guān)的學(xué)習(xí)記憶。Egr-1所調(diào)控的靶基因很多。細胞骨架相關(guān)基因arc可能是Egr-1的靶基因之一，是一個突觸活性誘導(dǎo)的效應(yīng)分子，在晚期LTP和海馬依賴的學(xué)習(xí)記憶過程具有重要的作用［21］。 也有證據(jù)［22］表明，在強烈刺激的條件下，Egr-1可以單獨調(diào)控海馬CA1區(qū)晚期活性依賴性arc基因的轉(zhuǎn)錄。arc的表達對學(xué)習(xí)記憶的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)AMPA受體的放電來實現(xiàn)［1］。

Egr-1基因還可以通過激活脯氨酸相關(guān)激酶Cdk5、滅活蛋白磷酸酶PP1、促進tau蛋白磷酸化，造成微管細胞骨架的不穩(wěn)定，影響學(xué)習(xí)記憶的過程。這也可能是阿爾茨海默病患者學(xué)習(xí)記憶認知功能下降的原因之一［23］。

然而也有相反的研究［24］結(jié)論，認為Egr-1活性和LTP存在負性關(guān)系，即能有效誘導(dǎo)LTP的刺激卻不能激活Egr-1,而不能誘導(dǎo)LTP的刺激卻能引起Egr-1的表達，認為Egr-1的激活對于LTP既不必需也不充分。雖然Egr-1與LTP之間關(guān)系還有爭議，但鑒于大量研究發(fā)現(xiàn)Egr-1在學(xué)習(xí)記憶過程中的明顯變化，將其作為學(xué)習(xí)記憶功能的客觀指標(biāo)進行研究成為可能。

4 影響Egr-1表達的可能機制

對于學(xué)習(xí)記憶誘導(dǎo)Egr-1基因表達的機制非常復(fù)雜。大量體內(nèi)和體外研究［25］表明，Egr-1 mRNA的表達可以被多種不同的受體激活調(diào)控，比如鈣離子、多巴胺受體、谷氨酸受體的所有亞型等，同樣這些受體也參與學(xué)習(xí)記憶的過程?？赡苁沁@些受體激活后，通過不同的第二信使系統(tǒng)，進而激活不同的激酶級聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致活化的Egr-1與靶基因啟動子區(qū)域特異的結(jié)合位點作用而調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄表達［17］。

NMDA受體是親離子型谷氨酸受體的亞型，是學(xué)習(xí)記憶的過程中的關(guān)鍵物質(zhì)，并且是鈣離子的主要通道。鈣離子進入突觸后膜，作為第二信使激活PKC和CaMKⅡ、CaMKⅣ，進而磷酸化絲裂原活化蛋白激酶（MAPK），激活 MAPK通路。CaMK、多巴胺、腎上腺素受體還可以活化腺苷酸環(huán)化酶，cAMP激活蛋白激酶A（PKA），通過磷酸化Rap-1或抑制Ras磷酸化進而活化MAPK途徑，激活Egr-1基因的轉(zhuǎn)錄，調(diào)控Egr-1基因的表達。

MAPK通路在突觸的可塑性具有重要的作用。隨著齒狀回 LTP的誘導(dǎo)，MAPK、ERK1、ERK2以及下游2個轉(zhuǎn)錄因子Elk-1和CREB在數(shù)分鐘內(nèi)過磷酸化。通過轉(zhuǎn)錄因子Elk-1和CREB分別結(jié)合于SRE和CRE位點調(diào)控Egr-1的轉(zhuǎn)錄,進而進一步影響突觸的LTP。應(yīng)用上游激酶MEK抑制劑，LTP誘導(dǎo)的ERK過磷酸化以及下游轉(zhuǎn)錄因子Elk-1、CREB和Egr-1mRNA的表達都會被阻滯，從而導(dǎo)致LTP的快速下降。

綜上所述，Egr-1與學(xué)習(xí)記憶關(guān)系密切，并且觀察到學(xué)習(xí)記憶活動后以及學(xué)習(xí)記憶損傷后，Egr-1基因表達呈現(xiàn)一定規(guī)律性的變化。Egr-1基因的變化同樣引起學(xué)習(xí)記憶的變化。在全身麻醉藥所致學(xué)習(xí)記憶變化的研究中，觀察Egr-1基因的表達狀況，來探討全身麻醉藥對學(xué)習(xí)記憶的影響機制，可為麻醉學(xué)提供一種更深入的研究方法。還可以Egr-1基因表達作為標(biāo)志物，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)記憶過程所涉及腦內(nèi)的解剖結(jié)構(gòu)，有助于全面認識學(xué)習(xí)記憶的機制。

5 結(jié)語

學(xué)習(xí)和記憶是大腦重要的高級神經(jīng)功能之一，也是構(gòu)成人類智能的要素。IEGs與學(xué)習(xí)記憶關(guān)系的研究取得了很大的進展，但還有很多問題有待于闡明。例如與Egr-1相關(guān)的靶基因大約有30多種，如arc、Bim［26］等。 但與學(xué)習(xí)記憶有關(guān)的 IEGs 所調(diào)控的靶基因研究的較少，MAPK通路Egr-1的下游機制還不是很清楚。Egr-1與LTP之間的關(guān)系還有相互矛盾的地方。此外，除了MAPK途徑外可能還有未知的信號途徑參與長期記憶的儲存。近年來，關(guān)于術(shù)后認知功能障礙（post-operative cognitive dysfunction，POCD）逐漸成為麻醉學(xué)研究的熱點，但具體發(fā)生機制到目前還不清楚?？梢訣gr-1基因表達作為標(biāo)志物研究全身麻醉后的學(xué)習(xí)記憶功能的改變，并探討其發(fā)生的可能機制。這些都需要進一步的研究、探索和證實。

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