군소 뉴런 배양을 이용한 CPEB4가 관여하는 기억 경화와 단백질 분해가 관여하는 재경화 과정에 대한 연구

Abstract

단기기억이 장기기억으로 저장되기 위해서는 단백질 합성을 필요로 하는 경화과정이 필요하다. 기억 재경화 가설은 경화된 장기기억이 회상을 통해 떠올려지며 그 후 재경화 과정을 거쳐야만 다시 안정화 될 수 있다고 설명한다. 하지만 회상에 의해 기억이 인출되는 과정 중 시냅스에서 일어나는 단백질 분해와 재합성 과정이 동일한 시냅스에서 일어나는지에 대해서는 아직 확실하게 알려져 있지 않았다. 이러한 현상을 자세히 밝히기 위해 비교적 단순한 신경계로 구성된 바다달팽이의 민감화기억에 초점을 맞추기로 하였다. 이러한 민감화 기억은 군소 단일신경세포 배양법을 이용해 장기기억이 장기 시냅스 촉진으로 세포수준에서 재현될 수 있다. 이번 연구를 통해 기억의 회상에 의해 일어나는 시냅스 단백질의 분해와 재합성이 장기 시냅스 촉진이 일어나는 동일한 시냅스에서 일어나는 것을 확인하였다. 그 외에도, 군소의 시냅스 특이적인 장기 시냅스 촉진 과정의 형성과 유지에 필요한 국소 단백질 합성 과정이 각각 다른 신호전달 경로로 일어나는 것에도 관심을 가졌다. 기존 연구들을 통해 ApCPEB 이라는 단백질은 rapamycin에 의해 억제되는 단백질 합성 경로를 통해 형성되며 이것의 발현이 장기 시냅스 촉진과정의 유지에 필요한 것으로 알려져 있다. 그러나 emetine에 의해 억제되는 단백질 합성 경로를 통한 장기 시냅스 촉진의 형성에 필요한 국소 단백질 합성 과정은 아직 알려져 있지 않았다. 이 논문에서는 기존에 알려져 있지 않던 새로운 Aplysia CPEB를 클로닝 하였고, ApCPEB4-like protein 이라 명명하였다. 이 단백질은 5-HT에 의해 증가하였고, 프리온 도메인이 없었다. 또한 emetine에 의해 합성이 억제 되지만 rapamycin에 의해서는 합성이 억제되지 않는 것을 확인할 수 있었다. ApCPEB4는 기존에 알려져 있던 ApCPEB와 다른 target mRNA에 붙는 것으로 확인 되었고, 이 단백질의 발현을 저해하였을 때 장기 시냅스 촉진의 형성이 억제되었다. 또한, 과발현 시에는 장기 시냅스 촉진이 형성되기 위한 역치값이 감소한 것을 확인하였다. 이러한 결과들을 통해 ApCPEB은 장기시냅스 촉진의 유지를 위해 필요한 반면, 프리온 도메인이 없는 ApCPEB4는 장기 시냅스 촉진의 형성에 중요한 것을 알 수 있었다.

Dynamic process of memory requires consolidation to store memory in long-term. The memory reconsolidation hypothesis suggests that this memory trace becomes labile after retrieval and needs to be reconsolidated before it can be stabilized. However, it is unclear from earlier studies whether the same synapses involved in encoding the memory trace are those that are destabilized and restabilized after the synaptic reactivation that accompanies memory retrieval, or whether new and different synapses are recruited. To address this issue, I focused on simple form of non-associative memory, long-term sensitization of the gill- and siphon-withdrawal reflex in Aplysia. Using its cellular analog, long-term facilitation (LTF) at the sensory-to-motor neuron synapse, I found that on the cellular level, long-term facilitation at the sensory-to-motor neuron synapse that mediates long-term sensitization is also destabilized by protein degradation and is restabilized by protein synthesis after synaptic reactivation, a procedure that parallels memory retrieval or retraining evident on the behavioral level. In addition, I also focused on the issues that two pharmacologically distinct types of local protein synthesis are required for synapse-specific LTF in Aplysia: one for initiation and the other for maintenance. ApCPEB, a rapamycin sensitive prion-like molecule regulates a form of local protein synthesis that is specifically required for the maintenance of the LTF. However, the molecular component of the local protein synthesis that is required for the initiation of LTF and sensitive to emetine is not known. Here, I identified a homolog of ApCPEB responsible for the initiation of LTF. The ApCPEB homolog which we have named ApCPEB4-like protein is responsive to 5-hydroxytryptamine (5-HT), lacks a prion-like domain, and is translated (but not transcribed) in an emetine-sensitive but rapamycin-insensitive and PKA-dependent manner. The ApCPEB4 binds to different target RNAs than does ApCPEB. Knock-down of ApCPEB4 blocked the induction of LTF, whereas overexpression of ApCPEB4 reduces the threshold of the formation of LTF. Thus, our findings suggest that the two different forms of CPEBs play distinct roles in LTF

ApCPEB is required for maintenance, whereas the ApCPEB4, which lacks a prion-like domain, is required for initiation.