傳染性蛋白的“負面”和“正面”（9）

朱欽士 （美國南加州大學醫學院）

（上接2018年第11 期第11 頁）

3.8 Prion 型蛋白在長期記憶中的作用 記憶是神經系統發明的儲存信息的機制，有了記憶，動物才能從過去的經驗中學習，對于動物的生存是絕對必要的。 有些記憶只保留比較短的時間，例如用剛獲知的一個新電話號碼打電話，打完電話后這個號碼很快就被忘記了，稱為短期記憶。 有的記憶卻可以保留很長時間，甚至可保留終身，例如收到大學錄取通知書的時刻，求愛成功的時刻等生活中的重大事件，稱為長期記憶。 但是在過去很長一段時期內，記憶的機制，特別是長期記憶的機制，卻是一個謎。 許多神經細胞雖然可以終身不死，但是細胞中的成分，包括各種蛋白分子，卻是不斷更新的，“壽命”從幾分鐘到幾天。 要在分子不斷更新的環境中長期保留信息，似乎是一項不可能完成的任務。 但是生物用非常巧妙的方式解決了這個難題，其中就包括利用Prion 型蛋白的長期穩定性。

神經細胞的信息輸出是通過細胞發出的一根纖維，稱為“軸突”（axon）的結構實現的。軸突從細胞發出后，反復分支，這些分支的終端膨大，附著在其他神經細胞上，稱為“突觸”（synapse）。 其他神經細胞上與突觸相對的區域也有特殊的結構，稱為“后突觸”（postsynapse）。 軸突和后軸突之間有很窄的間隙，信號從軸突到達突觸時，突觸分泌信號分子，稱為神經遞質（neurotransmitter），神經遞質分子通過擴散到達后軸突， 結合在受體分子上， 就可以將信號從第1 個神經細胞傳遞到第2個神經細胞。

突觸的功能是可以被調節的， 如果第3 個神經細胞發出的突觸不是與第2 個神經細胞接觸，而是與第1 個神經細胞的軸突聯系，就會形成“軸突上的軸突”，第3 個神經細胞發出的信號可以通過它的軸突影響第1 個神經細胞的軸突， 使第1個神經細胞的軸突發給第2 個神經細胞的信號發生變化。

通過這樣的結構，記憶就可以形成，且只需要上面所說的3 個神經細胞。 這是由奧地利裔美國科學家Eric Richard Kandel 在對海兔（Aplysia）的研究中發現的。 Kandel 發現， 輕觸海兔的吸水管時，海兔會將自己的鰓縮回，稱為縮鰓反應，其中的機制也很簡單： 吸水管被觸動時的信號被第1個神經細胞感知，這個細胞是感知信號的，所以稱為感覺神經細胞，在這里被稱為神經細胞1。 神經細胞將信號傳給控制縮鰓反應的神經細胞， 使被其控制的肌肉細胞收縮，使海兔的鰓縮回，這個細胞由于控制海兔的肌肉運動，稱為運動神經細胞，在這里稱為神經細胞2。 這2 個細胞就完成了海兔在吸水管被觸動時縮鰓的反射動作。

如果在觸動吸水管的同時給海兔的尾部一個電擊，縮鰓反應就更加強烈，鰓縮進的時間也更長。而且海兔在有了這樣的經驗后，在沒有電擊的情況下，只觸動吸水管，也會有更強的縮鰓反應，好像海兔“記住”了吸水管被觸動和尾部被電擊之間的關系。 這是典型的“巴甫洛夫”式的“學習”過程，即記住2 個事件之間的聯系（例如聽見鈴聲就給食物，狗就會在只聽見鈴聲， 沒有食物的情況下分泌唾液）。Kandel 發現，這是由于感受尾部電擊的神經細胞（神經細胞3）發出的軸突連在神經細胞1 發出的軸突上，神經細胞3 發出的信號使神經細胞1 的軸突功能增強的緣故。功能增強的神經細胞1 的軸突能自己維持增強狀態一段時間， 在這段時間內，即使沒有受到電擊，觸動吸水管時神經細胞1 發給神經細胞2 的信號都比以前要強， 好像尾部也受到電擊一樣，總的效果就好像是海兔“記住”了尾部電擊的事件， 或者說尾部電擊的信息以神經細胞1 軸突增強的方式被儲存起來了。

從分子機制上說， 在尾部受到電擊時神經細胞3 會在其軸突上釋放神經遞質血清素（serotonin）。血清素能激活感覺神經細胞突觸內的腺苷酸環化酶（adenylyl cyclase），增加神經細胞1 突觸內環腺苷酸cAMP 的濃度，cAMP 又會激活依賴于cAMP 的蛋白激酶A（PKA），PKA 能將突觸處細胞膜上的鉀離子通道磷酸化， 使突觸內鉀離子流向突觸外的過程受阻礙， 使得感覺細胞的動作電位更強和維持更長時間， 讓更多的神經遞質谷氨酸鹽被釋放到突觸間隙中，增強運動神經細胞（神經細胞2）的反應，即在運動神經細胞中誘導更強的動作電位，使得縮鰓的程度更強、時間更長。 不用電擊， 直接在細胞神經細胞1 的突觸上施加血清素，也有同樣的效果。

一次電擊所造成的神經細胞1 的突觸強化只能維持數分鐘，稱為短期記憶（short-term memory）。短期記憶只需要PKA 的活化和一些現成蛋白（例如鉀離子通道）的磷酸化，因此不需要合成新的蛋白質。 在cAMP 被逐漸降解，濃度降低后，一切又恢復到強化前的狀態。

但是，如果條件反射訓練（在刺激吸水管的同時在尾部進行電擊）被重復多次，感覺神經細胞的突觸就會被長期強化，可以保持1 周以上，稱為長期記憶（long-term memory）。 長期記憶涉及突觸結構和成分的改變，需要新的蛋白合成。從分子水平上講， 連續的血清素刺激會使吸水管感覺神經細胞突觸內的cAMP 濃度持續升高，使得PKA 的活性也持續升高。 PKA 可使“cAMP 反應序列結合蛋白”（cAMP response element binding protein，CREB）磷酸化而將其活化， 活化了的CREB 作為轉錄活化因子，可以結合在有關基因的啟動子上，啟動這些基因的表達。 這些基因中包括“CCAAT 增強子結合蛋白”（CCAAT enhancer binding perotein，C/EBP）。 C/EBP 是一個轉錄因子， 又能啟動第2波的基因表達。 這些新表達的基因能固定突觸的強化， 還會在感覺神經細胞和運動神經細胞之間形成新的突觸連接，從而形成長期記憶。

但每個分子的壽命都不長， 軸突的長期強化是怎樣維持的？ 這就需要一個能長期使這個軸突合成有關蛋白的機制。另一個問題是，一個神經細胞可以發出多個突觸， 一些突觸的強化是否也會使這個細胞發出的其他突觸也被強化？換句話說，信息是只儲存在傳輸特定信號所使用的突觸中，還是發出這個突觸的整個神經細胞都與信息儲存有關？為了弄清這個問題，Kandel 使用了海蝸牛輸出信號的神經纖維有分支的感覺神經細胞， 每個分支通過突觸連接到不同的運動神經細胞上。 如果只在其中的一個突觸上施加血清素， 那就只有這個突觸被強化，且強化狀態可以保持1 天以上，而其余的突觸不受影響。 這說明同一個神經細胞上的不同突觸是可以分別被強化的， 信息只儲存在通過使用（傳輸信息）被強化的突觸上。

但是長期記憶需要基因轉錄和蛋白合成，而基因轉錄是在細胞體中進行的，生成的mRNA 原則上可以到達神經細胞的任何突觸， 轉譯成蛋白質，強化所有的突觸，細胞是怎樣做到只強化傳輸某種特定信息的突觸？ 答案就在于這些mRNA 合成后，并不會直接被轉譯成為蛋白，而是處于休眠狀態，只有在結合一種稱為“細胞質多腺苷酸化序列結合蛋白”（cytoplasmic polyadenylation element binding protein，CPEB）的蛋白分子后，mRNA 尾部的多腺苷酸序列才能被延長，這樣的mRNA 才會被轉譯為蛋白質。

奇怪的是，CPEB 蛋白單體并沒有這樣的功能，只有在改變肽鏈折疊狀況，形成Prion 型的結構時，才具有使休眠的mRNA 被轉譯為蛋白質的功能。 類似酵母細胞的Prion 型蛋白Sup35 和Reb2 （見文章第2 部分），CPEB 蛋白的氨基端也富含谷氨酰胺殘基， 能形成橫向β-折疊并聚合。此聚合物能結合硫黃素T，使其發出的熒光增強，且發射光譜的峰值移至482 nm，證明CPEB 聚合形成的是Prion 型的結構。 專門識別聚合狀態的CPEB 的抗體，在被注射進入神經細胞時，不影響短期記憶， 卻抑制長期記憶， 說明Prion 狀態的CPEB 才能活化mRNA，使其轉譯成為蛋白質。

CPEB 在神經細胞中的濃度很低，但是在已經被短期強化的突觸處， 連續的血清素刺激會解除miRNA-22（一種微RNA）對CPEB mRNA 轉錄為蛋白質的抑制， 使CPEB 在這個突觸處的局部濃度升高，從而使得CPEB 改變分子結構，形成Prion型的結構， 這就保證了為強化突觸所需的mRNA只在已經被短期強化的突觸中被轉譯為蛋白質，也使短期強化能轉化為長期強化， 使短期記憶變為長期記憶。 而在其他與這個信息儲存無關的軸突中，由于CPEB 的濃度很低，無法形成Prion 型的結構，即使它們屬于同一個神經細胞，也不會被強化。

Prion 型的CPEB 是高度穩定的，甚至在10%的十二烷基磺酸鈉（SDS）中被煮沸5 min 也不會解聚。 這樣Prion 型的CPEB 也就作為長期記憶的“元件”， 在需要維持強化狀態的軸突中長期存在，這就是長期記憶的秘密。人類能終身記住一些事件， 靠的就是Prion 型蛋白的穩定性。 由于Kandel 在記憶機制研究上的重要貢獻， 他獲得2000年的諾貝爾生理學或醫學獎。

生物利用Prion 型的蛋白形成長期儲存信息的機制如此巧妙， 這樣的機制也被果蠅甚至哺乳動物所使用。 果蠅的Orb2 蛋白和海兔的CPEB 蛋白高度相似，也能結合在mRNA 分子上，影響其轉譯。其氨基端也富含谷氨酰胺殘基，很容易轉變肽鏈折疊狀況而形成Prion 型的結構。 由Orb2 蛋白形成的聚合物也高度穩定，能在SDS 溶液中被煮沸而不會解聚。 這樣的聚合物結合硫黃素T，能被針對聚合狀態Orb2 的抗體所識別，光譜分析也證明聚合物含有橫向β-折疊的結構， 說明Orb2的聚合物也具有Prion 型的結構。

敲除Orb2 基因， 或者除去Orb2 蛋白的氨基端而使其不能變為Prion 型的結構，都會影響果蠅的長期記憶。單體的Orb2 蛋白會縮短mRNA 尾部的多腺苷酸序列，使mRNA 分子變得不穩定而被降解。 而Prion 型的Orb2 蛋白能延長mRNA 分子尾部的多腺苷酸序列， 增加mRNA 分子的穩定性，并被轉錄成為蛋白質。

在小鼠中，CPEB3 蛋白與海兔的CPEB 蛋白和果蠅的Orb2 蛋白高度相似，其氨基端富含谷氨酰胺殘基，能聚合成為抵抗SDS 的聚合物。 像以上2 個蛋白一樣， 小鼠的CPEB3 在單體狀態是mRNA 分子轉譯的抑制物，而在變為Prion 型的結構后，轉變成為mRNA 轉譯的活化物。 小鼠經過學習過程（例如水迷宮、電擊所引起的恐懼等）后，與記憶密切相關的海馬區（hippocampus）CPEB3的聚合物增多，與小鼠形成長期記憶相符。敲除小鼠海馬區的CPEB3 基因，小鼠的長期記憶受到損壞，但短期記憶和行為不受影響。

這些事實說明，從低等動物到高等動物，CPEB蛋白的Prion 狀態都被作為長期記憶的“元件”，且像假單胞桿菌的RepA 蛋白一樣，CPEB 蛋白也有2種分子結構和2 種生理功能。 單體的RepA 分子促進質粒的復制，Prion 型的RepA 抑制質粒的復制；單體的CPEB 蛋白抑制mRNA 分子的轉譯，而Prion 型的CPEB 促進mRNA 分子的轉譯。

（待續）