视觉刺激会影响记录我们感官体验的蛋白质。

 

 

 

为了更好地了解人类是如何学习的，Hollis Cline，哈恩神经科学教授和斯克里普斯研究所神经科学系的联合主席，领导了旨在激发蝌蚪大脑学习的实验。多年来，她的实验室与蝌蚪的研究揭示了神经可塑性——新的经历如何给大脑细胞注入能促进大脑发育和学习的蛋白质。

 

现在，实验室的最新研究表明，大脑神经可塑性的关键不仅仅是新蛋白质的存在，而是大脑如何制造蛋白质。该研究还指出，在一些患有自闭症谱系障碍的人中，蛋白质在感觉加工中可能起到新的作用。这项工作发表在ELIFE，蝌蚪天生有半透明的皮肤，这使得它们成为一个极好的模型，可以窥探活体的大脑。在黑暗中保持四小时，然后暴露于环境光（对照组）或带有移动条的屏幕（实验组），蝌蚪有独特的反应。

 

 

Cline博士的研究小组与斯克里普斯分子研究系的教授John Yates博士密切合作，测量了在每次实验前和之后表达的蛋白质的变化，发现在实验组中有83种蛋白表达上调或下降。

 

 

这83种蛋白质中的许多是负责细胞中常规工作的效应蛋白。但是，三个是独特的：EIF3A，FUS和RPS17。这些是调节蛋白质的调节蛋白，其与所选择的蛋白质结合以调节其功能。以这种方式，它们可以增加或减少基因表达，或细胞间的细胞信号。Cline很惊讶。她和她的同事们一直认为，即使视觉刺激发生变化，调节蛋白的表达也会保持稳定。

 

“视觉经验能影响我们如何制造蛋白质的想法是全新的。这是有趣的思考，因为我们生活在一个非常忙碌的感官世界。我们只是认为监管机构只是在嗡嗡作响。所以，我们很惊讶地看到他们在我们的名单上。我们想，这是准确的吗？这是真的吗？”

 

 

事实证明，这些调节蛋白是从视觉体验中学习的关键。当细胞在视觉暴露过程中合成这些蛋白质时，它们更善于建立连接和强化学习。事实上，研究人员可以用荧光蛋白标记神经元来跟踪在蝌蚪脑上留下的视觉体验的物理特征。由于EIF3A，FUS和RPS17，蝌蚪具有显著的神经元生长-表达为从神经元延伸的分支状卷须-在四小时的独特视觉体验之后。

 

 

接下来，科学家们研究了蛋白质表达的变化是否影响蝌蚪行为。这些蛋白质在蝌蚪教学中有多重要？为了找到答案，研究人员利用了一种自然蝌蚪行为：它们本能地避免了任何可能成为隐匿的捕食者的大体型。研究人员让蝌蚪游到一个屏幕上，投射出巨大的捕食者般的斑点，然后追踪蝌蚪是否会转向避开黑点。暴露于视觉大斑点的蝌蚪在回避试验中明显优于对照组蝌蚪。这表明他们已经形成了神经电路来更好地处理视觉信息。有趣的是，蝌蚪在测试中也做得不好——甚至在暴露于视觉体验之后——当它们不能表达所有三种关键蛋白（EIF3A、FUS和RPS17）时。这一发现进一步证实了这些调节蛋白的重要性。

 

 

最后，研究人员好奇他们所鉴定的83种蛋白质在人脑疾病中的表达是否不同。因此，他们通过两个数据库交叉引用了一个数据库：一个患有孤独症谱系障碍的人，一个患有脆性X综合征的人，他们有类似自闭症的特征。

 

结果出人意料。列表中百分之二十五的蛋白质与导致孤独症谱系障碍和脆性X综合征的基因数据库列表重叠。这比预期的要大得多，并引发了一个新的问题：自闭症“危险因素”到底是什么风险。

 

Cline认为调节蛋白中的突变可能会阻止一些人表达处理视觉、嗅觉、纹理、味觉甚至声音的需要的蛋白质。未来的研究可以集中于理解所有83种合成蛋白质。她也在重新思考人类每天所经历的视觉体验。这给我们带来了一个新的维度。

Role of the visual experience-dependent nascent proteome in neuronal plasticity.

Abstract
Experience-dependent synaptic plasticity refines brain circuits during development. To identify novel protein synthesis-dependent mechanisms contributing to experience-dependent plasticity, we conducted a quantitative proteomic screen of the nascent proteome in response to visual experience in Xenopus optic tectum using bio-orthogonal metabolic labeling (BONCAT). We identified 83 differentially synthesized candidate plasticity proteins (CPPs). The CPPs form strongly interconnected networks and are annotated to a variety of biological functions, including RNA splicing, protein translation, and chromatin remodeling. Functional analysis of select CPPs revealed the requirement for eukaryotic initiation factor three subunit A (eIF3A), fused in sarcoma (FUS), and ribosomal protein s17 (RPS17) in experience-dependent structural plasticity in tectal neurons and behavioral plasticity in tadpoles. These results demonstrate that the nascent proteome is dynamic in response to visual experience and that de novo synthesis of machinery that regulates RNA splicing and protein translation is required for experience-dependent plasticity.

Authors: Han-Hsuan Liu, Daniel B McClatchy, Lucio Schiapparelli, Wanhua Shen, John R Yates III, Hollis T Cline.