背靠背研究揭示钙调蛋白乙酰化功能与调控机制

作为神经活动的重要指标，钙离子（Ca²⁺）信号在神经导向生长、突触可塑性和学习记忆等过程中发挥着重要作用。钙调蛋白（CaM）是一种广泛表达于真核细胞的Ca²⁺传感器，在Ca²⁺信号转导过程中处于枢纽地位。

通过分析蛋白质乙酰化修饰的公共数据库和蛋白质谱结果，殷东敏团队发现CaM的乙酰化在中枢神经系统非常富集。具体来说，中枢神经系统中，突触后膜上的NMDA受体被激活后，引起突触后致密部的局部Ca²浓度升高，Ca²⁺和CaM结合并使之活化，CaM结合并激活Ca²⁺/CaM依赖的蛋白激酶IIa（Ca²⁺—CaM—CaMKIIa ）。该蛋白激酶的信号通路在突触可塑性和学习记忆中起重要作用。

该课题组首先制备了针对乙酰化CaM的抗体，发现神经活动可以1分钟内快速增加CaM乙酰化的水平，这一过程依赖NMDA受体。接着，利用乙酰化蛋白标准品滴定的方法，计算出海马组织裂解液中乙酰化CaM占总CaM蛋白的比例高达6% ~7%，接近组蛋白乙酰化的水平。

借助遗传密码拓展技术，研究人员合成并纯化了定点乙酰化的CaM蛋白，发现生理性浓度Ca²⁺存在的条件下，乙酰化CaM比野生型CaM更能激活蛋白激酶CaMKIIa。分子动力学计算发现，乙酰化CaM比野生型CaM更容易结合蛋白激酶CaMKIIa，亲和力更高。最后，研究人员还制备出乙酰化位点突变的Cam1基因敲入小鼠，发现小鼠体内CaMKIIa活性下降，海马脑区的突触可塑性和学习记忆能力损伤。

研究并未因阶段性成果而止步，殷东敏提出一个问题：既然CaM的乙酰化在突触可塑性和学习记忆中扮演着重要角色，那么CaM的乙酰化是如何被神经活动调控的呢？

为了回答这一问题，他首先要找到负责CaM乙酰化的赖氨酸乙酰转移酶（KAT）。

通过在HEK293细胞内过表达各种KAT，课题组发现类固醇受体共激活子3（SRC3）具有最强的乙酰化CaM的能力。研究人员接着通过体外乙酰化实验证明了SRC3可以直接乙酰化CaM蛋白，并发现这一过程存在Ca²⁺浓度依赖。

在体实验表明，急性抑制或成年期敲除海马脑区的SRC3，可以削弱神经活动引起的Ca²⁺—CaM—CaMKIIa 信号通路的激活，并导致海马脑区的突触可塑性和学习记忆能力的损伤。进一步实验表明，急性抑制SRC3对突触可塑性和学习记忆能力的损伤可以被模拟乙酰化的CaM蛋白所挽救。这意味着，通过NMDA受体和Ca²⁺，神经活动引起SRC3对CaM乙酰化，该过程对突触可塑性和学习记忆发挥着重要作用。

课题组表示，两篇论文首次揭示了钙调蛋白乙酰化的功能及调控机制，可能对Ca²⁺信号转导的研究带来新的视角。（来源：中国科学报 黄辛）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.jbc.2021.101034