科学家发现所有哺乳动物脑细胞共有的学习基因的新功能

对小鼠的研究可以为治疗SYNGAP1基因突变儿童的大脑发育障碍提供指导。约翰斯-霍普金斯大学医学院的神经科学家发现了SYNGAP1基因以前未知的功能，该基因的DNA序列控制着包括小鼠和人类在内的哺乳动物的记忆和学习。

这一发现最近发表在《科学》（Science）杂志上，它可能会影响针对SYNGAP1突变儿童的疗法的开发，这些儿童患有一系列以智力障碍、类似自闭症的行为和癫痫为特征的神经发育障碍。

一般来说，SYNGAP1 和其他基因通过制造调节突触强度（脑细胞之间的连接）的蛋白质来控制学习和记忆。

研究人员说，以前人们认为SYNGAP1基因只通过编码一种蛋白来发挥作用，这种蛋白的作用类似于酶，能调节导致突触强度变化的化学反应。现在，科学家们说，他们在小鼠身上进行的实验表明，该基因编码的蛋白质的功能可能更像一种所谓的支架蛋白，它能调节突触的可塑性，或突触随着时间的推移变得更强或更弱，而与酶的活性无关。他们说，SynGAP 蛋白似乎扮演着交通管理者的角色，指挥着大脑蛋白质在突触的位置和内容。

探索与实验

约翰霍普金斯大学医学院神经科学和心理与脑科学布隆伯格特聘教授、所罗门-H-斯奈德神经科学系主任理查德-胡加尼尔博士和他的团队于 1998 年首次分离出SYNGAP1基因。

胡加尼尔说，SynGAP 蛋白在突触中的含量非常丰富，长期以来，人们一直认为 SynGAP 的主要作用是引发调节突触强度的酶化学反应。但是，在研究 SynGAP 蛋白的过程中，休加尼尔等人开始发现，当 SynGAP 蛋白与主要的突触支架蛋白 PSD-95 发生作用时，它们具有一种奇怪的特性。它们会变成液滴，对于酶蛋白来说，这种结构转变是不寻常的。

显示 SynGAP（绿色）与突触处 PSD-95 结合的神经元。图片来源：约翰霍普金斯大学医学院 Yoichi Araki 和 Rick Huganir

为了弄清并理解SynGAP奇特的液体转变的目的，胡加尼尔、神经科学导师荒木洋一和胡加尼尔在约翰霍普金斯大学的研究团队设计了神经元实验，他们在SYNGAP1基因的所谓GAP结构域中插入突变，从而在不影响其结构的情况下消除SynGAP的酶功能。

约翰-霍普金斯大学的研究小组发现，即使没有酶的活性，突触也能正常工作，这表明结构特性本身对 SynGAP 的功能非常重要。

研究小组接下来在小鼠身上进行了相同类型的基因工程，以去除 SynGAP 的酶功能，结果发现类似：突触表现正常，突触可塑性没有问题，小鼠的学习和记忆行为也没有困难。研究小组称，这表明 SynGAP 的结构特性足以保证正常的认知行为。

为了了解SynGAP的结构是如何调节突触的，科学家们对突触进行了更仔细的分析，发现SynGAP蛋白与AMPA受体/TARP复合物（加强突触的神经递质蛋白束）和PSD-95支架蛋白的结合存在竞争。

实验表明，在静止状态下，SynGAP 与 PSD-95 紧密结合，不允许它与突触中的任何其他蛋白质结合。然而，在突触可塑性、学习和记忆过程中，SynGAP 蛋白会断开与 PSD-95 的连接，离开突触，并允许神经递质受体复合物与 PSD-95 结合。这使得突触变得更强，增加了脑细胞之间的传递。

Huganir说："这一系列过程并没有SynGAP典型的催化活性。相反，SynGAP 在与 PSD-95 结合时会将其束缚住，但当 SynGAP 离开这个突触时，PSD-95 就会开放，与 AMPA 受体/TARP 复合物结合。"

在 SynGAP 基因突变的儿童中，突触中的 SynGAP 蛋白数量减少了一半左右。由于 SynGAP 蛋白的数量减少，PSD-95 可能会更多地与 AMPA 受体/TARP 复合物结合，从而改变神经元的连接，导致脑细胞活动增加，这就是 SynGAP 突变儿童常见的癫痫发作的特征。

Huganir说，SynGAP的两种功能--酶和支架蛋白的"交通管理"作用--现在可能对寻找SynGAP相关神经发育障碍的治疗方法非常重要。他们的研究还表明，仅针对SynGAP的一种功能可能不足以产生重大影响。

编译自:ScitechDaily