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Nat Commun:北京大学程和平课题组和中科大毕国强研究组合作发现“线粒体炫”调控神经元突触水平的长时程记忆

摘要 : 2017年6月26日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communications》杂志上在线发表了北京大学分子医学研究所程和平-王显花课题组与中国科学技术大学生命科学学院毕国强课题组合作的一篇研究论文,研究揭示了神经元树突“线粒体炫信号”在神经突触传递短时程记忆向长时程记忆的转化中可能发挥着关键作用。

2017年6月26日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communications》杂志上在线发表了北京大学分子医学研究所程和平-王显花课题组与中国科学技术大学生命科学学院毕国强课题组合作的一篇研究论文,研究揭示了神经元树突“线粒体炫信号”在神经突触传递短时程记忆向长时程记忆的转化中可能发挥着关键作用。本文共同第一作者为付忠孝博士和谈笑博士,通讯作者为王显花副研究员、程和平教授和毕国强教授。

为什么有的记忆能铭刻一生而有的只能存在几分钟?短期的记忆如何转变为长期的记忆?本研究揭示了相关研究,线粒体炫是程和平课题组于2008年首次报道的单个线粒体的量子化信号,它含有线粒体活性氧激增、基质瞬时碱化、膜电位瞬时下降等多重变化,时程为数十秒,是新形式的线粒体基本功能事件。线粒体炫广泛存在于多个物种及多种细胞,只要有功能性线粒体就存在线粒体炫信号。线粒体炫的发生,既是一个耗能的过程,又存在对细胞产生氧化应激损伤的风险。多年来,程和平-王显花课题组一直在苦苦探寻线粒体炫为什么普遍存在的生物学解释。

突触可塑性是学习记忆的神经基础。在不同类型的神经活动的调控下,短时程的突触可塑性只能持续几秒到几分钟,而长时程的突触可塑性可维持数十分钟到数小时甚至更长。联合课题组猜测,线粒体炫可能参与突触可塑性的某种信号转导过程。为此,研究者选取学习记忆的经典细胞模型——大鼠的海马神经元——为研究对象,发展了长时程线粒体炫连续成像以及双光子飞秒脉冲激活线粒体炫等新技术。他们惊喜地发现,化学及电刺激方法诱发突触的长时程增强总是伴有突触附近一个或多个线粒体炫信号;人为激活线粒体炫信号,则能够稳定其附近的突触增大,从而产生从短时程增强向长时程增强的转化;有意思的是线粒体炫对突触可塑性的有效调控有着确定的时间窗口(刺激后30分钟内有效)和空间范围(2微米以内有效),显示了线粒体炫调控突触可塑性机制的特异性与精确性。进一步研究发现,线粒体炫的发生依赖于神经活动钙信号及钙依赖性激酶,其所释放的活性氧信号可能是促进突触长时程增强的信号分子。

工作首次报道了在突触可塑性过程中,线粒体炫作为数字化的生物信号在线粒体接收、整合、传递信号中的重要作用,其科学价值在于首次揭示树突线粒体和突触之间的双向信号传导机制。同时,该研究为理解线粒体炫的生物学意义提供了一个范例,即局部、瞬时的活性氧爆发为“烧制”突触水平的长时程记忆提供了一种可能的分子与亚细胞机制。

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线粒体炫促进神经元突触长时程增大

原文链接:

Dendritic mitoflash as a putative signal for stabilizing long-term synaptic plasticity

原文摘要:

Mitochondrial flashes (mitoflashes) are recently discovered excitable mitochondrial events in many cell types. Here we investigate their occurrence in the context of structural long-term potentiation (sLTP) at hippocampal synapses. At dendritic spines stimulated by electric pulses, glycine, or targeted glutamate uncaging, induction of sLTP is associated with a phasic occurrence of local, quantized mitochondrial activity in the form of one or a few mitoflashes, over a 30-min window. Low-dose nigericin or photoactivation that elicits mitoflashes stabilizes otherwise short-term spine enlargement into sLTP. Meanwhile, scavengers of reactive oxygen species suppress mitoflashes while blocking sLTP. With targeted photoactivation of mitoflashes, we further show that the stabilization of sLTP is effective within the critical 30-min time-window and a spatial extent of ~2 μm, similar to that of local diffusive reactive oxygen species. These findings indicate a potential signaling role of dendritic mitochondria in synaptic plasticity, and provide new insights into the cellular function of mitoflashes.

来源: Nature Communications 浏览次数:0

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