有哪些分子证据把睡眠-觉醒周期与突触磷酸化及可塑性所需的局部翻译联系起来?

分子证据通过磷酸化驱动的蛋白质调控和突触处局部翻译的mRNA,将睡眠-觉醒周期与突触可塑性联系起来。

直接答案

有两条分子途径把睡眠-觉醒周期与可塑性背后的突触变化联系起来。一条经由磷酸化:昼夜节律蛋白BMAL1似乎调控突触激酶CaMKIIα,从而把每日光照周期与依赖磷酸化的突触事件联系起来[2]。另一条经由局部翻译:有观点提出,睡眠-觉醒生理状态会向突触处可塑性相关mRNA的运输和翻译发出信号,其中包括通过磷酸化翻译调控因子CPEB来实现[3];翻译因子eIF2α则被提出能以可能反过来影响睡眠的方式改变局部突触蛋白质组[1]。这些证据属于机制层面的推测,大多只是提出而非已经证实,也没有哪一项研究完整追踪了从睡眠到磷酸化、再到翻译、最后到可塑性的整条链条。

3篇文献引用

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昼夜节律激酶为突触设定时钟

最清楚的磷酸化联系来自对BMAL1的研究,它是一种核心昼夜节律转录因子。该研究把BMAL1对突触激酶CaMKIIα的调控作为一种“突触计时”的生化机制来考察——所谓突触计时,是指突触保持自身每日节律的想法[2]。CaMKIIα是一种激酶,即把磷酸基团加到其他蛋白质上的酶,也是可塑性过程中强化突触的信号传导里为人熟知的参与者。如果BMAL1控制它,那么那个随光照周期组织睡眠与觉醒的分子时钟,也可能设定突触处磷酸化事件的时间[2]。

该摘要内容零散,而且这项研究围绕生化机制展开,并未展示行为层面的结果。因此合理的解读是:昼夜节律对CaMKIIα的调控是一条看似合理的途径,让睡眠-觉醒的时间信息抵达突触磷酸化,但它并不是已证实的可塑性变化原因。

信使RNA在突触现场运送并翻译

第二条途径是局部翻译:突触自带信使RNA储备,可以按需就地制造蛋白质,而不必等待从细胞体运送过来。对星形胶质细胞Fabp7 mRNA的研究显示,一天中的时间调控这种mRNA的去向、它的多聚腺苷酸化(加上一条影响其稳定性和翻译的尾巴),以及它在由神经元、星形胶质细胞和神经元组成的三部分突触内的定位[3]。作者把这一点与睡眠-觉醒神经生理学联系起来,视其为可能的信号,并提出翻译调控因子CPEB的磷酸化可能开启翻译[3]。这是一个具体的分子设想:每日的生理状态可以通过磷酸化,在突触现场解锁特定可塑性相关mRNA的翻译。

另一条研究思路把翻译因子eIF2α置于局部突触蛋白质组如何随突触处状况而变化的核心位置[1]。在神经发育障碍中,有观点认为睡眠不足是突触和行为缺陷的潜在原因,而不仅仅是其结果,突触蛋白质组失调则是一个常见特征[1]。所提出的机制是双向的:局部翻译受扰与睡眠受扰可能在发育过程中相互强化[1]。这只是供未来检验的假说,并非已确立的循环。

两条途径为何尚未连成一条链

磷酸化证据和翻译证据来自不同的研究、不同的分子,而且这两类工作都没有展示从睡眠-觉醒状态到磷酸化、再到局部翻译、最后到持久可塑性的完整序列。BMAL1–CaMKIIα的研究涉及磷酸化和囊泡动态,但不涉及局部翻译[2];Fabp7的研究涉及mRNA运输和翻译,并提出CPEB磷酸化,但没有直接测量突触磷酸化[3];关于eIF2α的讨论则聚焦神经发育障碍中的局部翻译和睡眠,没有涉及突触磷酸化[1]。

这些研究共同支持的,是一组看似合理的分子交接环节。与睡眠-觉醒时间相关的昼夜节律激酶可能磷酸化局部翻译的调控因子,而局部翻译出的蛋白质又能反过来重塑突触,进而影响睡眠。每个环节背后都有一些分子证据,但整条链条仍是一个有待检验的框架,而非已证实的通路。

本文引用的文献

1

睡眠与突触翻译在神经发育障碍突触可塑性缺陷中的交汇

有观点提出,睡眠失调是神经发育障碍中突触和行为缺陷的潜在原因,并认为eIF2α相关的局部突触蛋白质组变化是一种双向机制。

2

BMAL1对CaMKIIα的调控:突触计时的生化机制

研究考察BMAL1对突触激酶CaMKIIα的调控,将其作为昼夜节律性突触计时的生化机制,把睡眠-觉醒周期与突触磷酸化及囊泡动态联系起来。

3

一天中的时间调控星形胶质细胞Fabp7 mRNA的亚细胞运输、三部分突触定位和多聚腺苷酸化

一天中的时间调控星形胶质细胞Fabp7 mRNA的运输、多聚腺苷酸化和三部分突触定位,并提出CPEB磷酸化作为翻译开关、睡眠-觉醒神经生理学作为可能信号。