钙_钙调素依赖性蛋白激酶_及其生物学作用 (1)
・1300・
[文章编号] 1000-4718(2002)10-1300-03
中国病理生理杂志 ChineseJournalofPathophysiology 2002,18(10):1300-1302
钙/钙调素依赖性蛋白激酶-Ⅱ及其生物学作用3
王全保△, 王建枝
(华中科技大学同济医学院,湖北武汉430030)
Calcium/calmodulin-dependentⅡfunction
,-zhi
(of,TongjiMedicalUniversity,Wuhan430030,China)
)isamemberofafamilyof 【AReview】 Ca2+/calmodulin-dependentproteinkinaseⅡ(CaMKⅡ
Ca2+/calmodulin-regulatedproteinkinaseswhichalsoincludesCa2+/calmodulin-dependentproteinkinas2esⅠandⅢ,myosinlightchainkinasesandphosphorylasekinase.Unliketheothermembersofthisfamily,CaMKⅡismultifunctionalproteinkinaseanddistributesinavarietyoftissues.Itisespeciallyabundantinneuronalsystem.Inhippocampus,CaMKⅡisabout2%ofthetotalprotein.StudieshaveshownthatCaMK
Ⅱplaysanimportantroleinavarietyofbiologicalprocesses,suchasregulationofgenetranscription,synthe2sisofneurotransmitter,phosphorylationofcytoskeletonalprotein,hippocampallearningandmemoryformation.
钙调蛋白;蛋白激酶Ⅱ;学习;记忆 [关键词]
[KEYWORDS] Calmodulin;Proteinkinase-Ⅱ;Learning;Memory [中图分类号] R363 [文献标识码] A 钙/钙调素依赖性蛋白激酶-Ⅱ(calcium/
)是calmodulin-dependentproteinkinase-Ⅱ,CaMKⅡ一种多功能蛋白激酶,存在于许多动物细胞内,尤其
在神经组织中含量丰富。在脑部某些区域如海马内占其蛋白质总量的2%,主要集中在突触部位。研究表明:CaMKⅡ广泛参与基因转录调节、神经递质合成、骨架蛋白磷酸化,近年来CaMKⅡ在海马学习及记忆功能过程中的作用正得到广泛的研究。1 CaMKⅡ的分子结构与活性调节
CaMKⅡ是不同动物种属脑内广泛存在的一种非脯氨酸指导的蛋白激酶。分子量约为600kD,约由12个亚基组成,分为αβ,γ,δ,4种类型。4类亚基具有很高的同源性。其中α亚基仅在脑细胞中表达。所有大鼠脑源性CaMKⅡ亚基均含有ATP结合的序
[收稿日期]2001-04-28 [修回日期]2001-07-163[基金项目]国家自然科学基金资助项目(39770175);国家杰出青年科学基金资助项目(39925012);国家重点基础研究规划(G1999054000)资助项目
△山东省临沂市人民医院神经科,276003
Tel:0539-8216036;E-mail:[email protected]
列、蛋白激酶催化活性中心及钙调素结合域。钙调
素结合域在α亚基位于296-309区域,在β亚基则位于297-310之间。其自身抑制域位于281-310之间[1]。
纯化的CaMKⅡ在钙/钙调素缺失时几乎无活性,而加入钙/钙调素后其活性最少增加200倍[2]。一旦与钙/钙调素结合,其分子构象即发生改变,每个催化结构域使邻近亚基的抑制结构域发生自身磷酸化(autophosphorylation),藉此激活CaMKⅡ,并依次磷酸化细胞中的其它靶蛋白,从而呈现其钙/钙调素依赖的生物学活性。
缓激肽(bradykinin,BK)、异氟磷(diisopylfluo2rophosphate,DFP)可特异性激活CaMKⅡ,而KN62、KN93、褪黑激素(melatonin)等则可特异性抑制其活
性。Yamakawa等[3]报告1μmol/L缓激肽可使培养的NG108-15(neuroblastoma×gliomahybridcell神经母细胞瘤-胶质瘤杂交株细胞)细胞内CaMKⅡ活性在10s内增加2倍。进一步的研究结果表明:缓激肽
是经肌醇磷脂代谢途径使IP3增加,从而促使内钙释放,胞浆内钙离子浓度升高,进而使NG108-15细胞
・1301・
内CaMKⅡ激活。King等[4]在离体利用放射免疫分析和放射性自显影方法研究了褪黑素对CaMKⅡ的抑制作用。结果表明褪黑素与钙调素有较强的亲和力,在nmol水平即可拮抗钙/钙调素复合体的形成,从而抑制CaMKⅡ活性及CaMKⅡ的自身磷酸化。2 CaMKⅡ参与微管相关蛋白(micro-tubuleasso2ciatedprotein,MAP)Tau的磷酸化 神经原纤维缠结(neurofibrillarytangles,NFT)是
调素依赖状态[8,9]。LTP亦可使CaMKⅡ长时间维持在自身磷酸化状态,使其非钙调素依赖的活性延长[10]。为进一步明确CaMKⅡ的Thr-286自身磷酸化在LTP和学习中的作用,Giese等[11]采用PCR定点突变技术将共286位点的苏氨酸替换为丙氨酸
(T286A),而后用基因打靶及基因重组技术,获得含T286A的纯合子突变鼠。免疫印迹法和免疫组化技
术表明该突变鼠CaMKⅡ,Ⅱ非钙调素依赖的活CaMKⅡ286。进:突变鼠存在学习和空间记忆缺陷。为研究突变鼠是否存在N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartatereceptor,NMDAR)依赖的LTP,Karl[11]等采用NMDAR拮抗剂D-2-Amino-5-Phosphonopentanoate(D-AP-5)及定点区域记录技术,发现D-AP-5使野生鼠组织切片中LTP信号显著降低,而突变鼠的LTP则变化不明显。
阿尔茨海默病(alzheimer sdisease,AD)的特征性病理改变之一。而NFT主要由双螺旋丝(pariedhelicalfilaments,PHFs)构成,PHFsT蛋白组成。其中Ser-度上抑制Tau,33%。而CaMKⅡ正是Ser-262和Ser-356位点磷酸化的主要蛋白激酶。本室最近的研究表明,在SD大鼠整体实验中海马注射缓激肽可使脑内CaMKⅡ催化的Tau蛋白Ser-199、Ser-202、Thr-231、Ser-235、Ser-262和Ser-356位点磷酸化增加,实验鼠出现明显
的学习与记忆障碍。3 SCaMKⅡ介导转录调节
可见CaMKⅡThr-286位点自身磷酸化是海马CA1区NMDAR依赖的LTP所必须的。CaMKⅡ在Thr-286自身磷酸化后可俘获钙调素,后者则可使NMAR
钙离子同cAMP一样是细胞内重要的信息分子,细胞外信号刺激引起的钙离子内流可调节基因转录。由于钙调素拮抗物可影响泌乳素、fos及阿片促黑素皮质激素等基因的转录效率,故推测可能存在钙调素依赖的蛋白激酶调节基因转录。将含报告基
α因及CaMKⅡ1-290片段的表达质粒转染入培养的
开放。
Barria等[10]报道:LTP诱发CaMKⅡ的自身磷酸
化使谷氨酸受体的亚基磷酸化是维持LTP所必须的。诱导LTP可使海马CA1区AMPA型谷氨酸受体
(amino-3-hydroxy-5-metheyl-4-isoxazolepropi2onicacid-typeglutamatereceptors,AMPA-Rs)增加,
GC鼠垂体瘤细胞,Michael等[5]发现:转染活化的CaMKⅡ片段的细胞,其泌乳素基因及rous肉瘤病
α
后者则介导突触的快速传递。LTP的诱导可通过激活CaMKⅡ而导致AMPA-R磷酸化增加。他们还发现:此时加用CaMKⅡ抑制剂KN-62后未影响基础性突触传递,也未影响短时程增强(STP,LTP的前10min),但使LTP的诱导受阻。表明CaMKⅡ是AMPA-R磷酸化的蛋白激酶。
Barria认为,经树突棘NMDA-R的钙离子快速
毒长末端重复序列(roussarcomaaviruslongterminal
repeat,RSVLTR)融合基因表达分别增加2.7和14倍。这一增强效应是由顺式作用元件与转录因子CAAT/增强子蛋白的结合所介导的。而转染未活化
α
的CaMKⅡ1-290组细胞,上述基因表达则无显著
改变。上述结果表明:CaMKⅡ1-290片段确有调节基因转录的作用,但其调节基因转录的具体机制尚须进一步研究阐明。
4 CaMKⅡ参与学习、记忆过程
突触强度的长时程增强(longtermpotentiation,LTP)与长时程抑制(longtermdepression,LTD)是突触
α
内流,使胞浆内钙离子浓度增加,进而激活CaMKⅡ钙离子依赖性活性,再缓慢激活其非钙依赖性自身磷酸化以及AMPA-R的磷酸化,从而增强AMPA-R的反应性。
Shen等[12]对CaMKⅡ由细胞内F-肌动蛋白解
可塑性的两种形式,由于其在学习和记忆中起重要作用而得到研究者的广泛关注。CaMKⅡ的药源性或基因性损害均可使LTP及学习功能受损[6]。已建立的模型提示CaMKⅡ自身磷酸化后的非钙调素依赖状态是LTP和学习所必需的[7],而Thr-286位点的自身磷化使CaMKⅡ从钙调素依赖状态转变为非钙
离而后定位于突触后密度区(postsynapticdensity,PSD)的动力学过程进行了研究。用绿色荧光蛋白标记CaMKⅡ(GFP-CaMKⅡ)及其磷酸化激活形式,Shen等发现NMOD-R被刺激后可使GFP-CaMKⅡ
从F-肌动蛋白偶联形式转变为PSD偶联状态,且CaMKⅡ自身磷酸化后可增加与钙调素的亲和性,并
・1302・
间接延长其在PSD的定位。进一步研究则发现钙调素的结合或Thr-286自身磷酸化对CaMKⅡ与F-肌动蛋白的解离是必要的,即CaMKⅡ必须结合钙调素后才能易位于PSD区。由于CaMKⅡ自身磷酸化后与钙调素的亲和性可增加几百倍[13],因此CaMKⅡ自身磷酸化可延迟其与钙调素的解离,从而延长刺激诱导的CaMKⅡ在PSD的定位。这样,CaMKⅡ两种分子形式(与钙调素结合及其自身磷酸化)的变化不但调控CaMKⅡ的活性而且也在动力学上控制CaMKⅡ在F-肌动蛋白与靶突触位点间的易位。综上所述,CaMKⅡ在转录调节,究。
[参 考 文 献]
[1] RogerJC,CharlesMS,YoshiakiH,etal.Calcium/calmod2
ulin-dependentproteinkinaseⅡ[J].BiochemJ,1989,258(4):313-325.
[2] HowardS.Phosphorylationofmicrotubule-associatedpro2
teinsbyacalcium/calmodulin-dependentproteinkinase[J].JCellBiol,1984,99(7):11-19.
[3] YamakawaT,FukunagaK,HigashidaH,etal.Activationof
calcium/calmodulin-dependentproteinkinaseⅡbystimula2tionwithbradykinininneuroblastomagliomahybridNG108-15cell[J].BrainRes,1992,597(6):220-226.
[4] KingGB,RiosA,MartinezA,etal.Invitroinhibitionof
calcium/calmodulin-dependentkinaseⅡactivitybymela2
tonin[J].JBiochimBiophysActa,1996,1290(1):191-196.
[5] MichaelS,KapiloffJ,MichaelM,etal.Calcium/calmodulin
-dependentproteinkinasemediatesapathwayfortranscrip2tionalregulation[J].ProcNatlAcadSciUSA,1991,88(5):3710-3714.
[6] MalenkaRC,MalenkaRC,KauerJA,etal.Anessentialrole
forpostsynapticcalmodulinandproteinkinaseactivityinlong-termpotentiation[J].,1989,340(6):554-557.[7]John,Memories?[J].Sci2
,,[8BL,KennedyMB,etal.Sequencesofau2
sitesinneuronaltypeⅡCaM-kinasethatcontrolCa2+593-604.
[9] MayfordM,WangJ.Controlofmemoryformationthrough
regulatedexpressionofaCaMKⅡtransgene[J].Science,1996,274(2):1678-1683.
[10] BarriaA,MullerD.RegulatoryphosphorylationofAMPA-typeGlutamatereceptorsbyCaMKⅡduringlong-termpo2tentiation[J].Science,1997,276(9):2042-2043.[11] KarlPG,NikolaiBF,RobertKF,etal.Autophosphorylation
atThr286ofthecalcium-calmodulinkinaseⅡinLTPandLearning[J].Science,1998,279(7):870-873.
[12] ShenK,MeyerT.DynamiccontrolofCaMKⅡtranslation
andlocalizationinhippocampalneurons[J].Science,1999,284(3):162-167.
[13] MeyerT,HansonPI,SchulmanH.Calmodulintrappingby
calcium/calmodulin-dependentproteinkinase[J].Science,1992,256(11):1199-1202.
-
independentactivity[J].Neuron,1988,1(9):
简讯
辽宁省病理生理学会于2002年8月20日至22日在辽宁省锦州市召开了会员代表大会暨学术会议。大
会交流了二十余篇论文。论文涉及了炎症、消化、中药、遗传、免疫、动物病理生理学等多个领域,论文质量和水平较高。 会议经民主选举产生了新一届理事会。 理事长:张海鹏。 副理事长:贾玉杰、夏桂兰、于艳秋(兼秘书长)。
于艳秋
中国医科大学病理生理学教研室