长时程增强作用（LTP）是学习记忆的关键机制。钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)是一种依赖于钙/钙调蛋白(calmodulin，CaM)的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在大脑中富集表达。CaMKⅡ能够被钙离子/CaM结合而激活。激活的CaMKⅡ在Thr286位点发生自身磷酸化，产生自发活性，转变为非依赖钙离子水平激活状态，即使CaMKⅡ胞内钙离子浓度较低，仍能长时间保持较高活性。
敲除与ATP结合的CaMKIIα亚基或敲除CaMKII蛋白自身磷酸化位点Thr286均可抑制CaMKII活性阻碍LTP的发生。然而，上述抑制CaMKII活性的抑制剂也会干扰CaMKII与NMDA型谷氨酸受体亚基Glu2NB的结合，即抑制CaMKII酶活性同时也阻断其与Glu2NB的功能结合，那么到底是谁在阻碍LTP中发挥更重要的作用尼？
2023年8月30日科罗拉多大学安舒茨医学院K. Ulrich Bayer研究团队在Nature杂志发表文章揭示谜团：诱发LTP的是CaMKII与GluN2B的结构性结合，而不是其酶活性。
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CaMKII引起结构性LTP需要与Glu2NB结合
直接光激活CaMKII可诱发海马神经元结构性LTP，为证实光激活CaMKII后可与Glu2NB结合，研究人员分别构建携带绿色荧光蛋白的CaMKII和红色荧光蛋白的Glu2NB质粒，在光激活CaMKII可促进其与Glu2NB的结合，并能促进海马神经元树突棘生长，在突变I205K位点(CaMKII与Glu2NB的结合位点)和CaMKII的ATP结合位点后光激活后并不能促进CaMKII与Glu2NB结合，也不促进树突棘的生长，表明光激活CaMKII引起结构性LTP需要与Glu2NB结合。
图1：CaMKII引起结构性LTP需要与Glu2NB结合
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LTP的形成需要CaMKII结构性结合Glu2NB
研究人员进一步检测发现新型ATP竞争性和CaMKII选择性抑制剂AS283和AS105，在不与Glu2NB结合前提下，均可抑制CaMKII酶的活性，但前者选择性更强。离体脑片实验发现tatCN21 (竞争性抑制CaMKⅡ与NR2B亚基的结合抑制CaMKⅡ/NMDAR复合体的形成)可阻断LTP的形成，但孵育AS283并不会阻断LTP。此外，AS283可逆转Thr286位点突变后LTP形成受损，表明LTP的形成需要CaMKII结构性结合Glu2NB，而不是其本身的酶活性。
图2：LTP的形成需要CaMKII结构性结合Glu2NB
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促进CaMKII结构性结合Glu2NB逆转LTP障碍
正常情况下ATP选择性抑制剂NM-PP1并不会与CaMKII发生结合，但在CaMKII蛋白F89G位点突变（CaMKII F89G）后NM-PP1可抑制CaMKII 活性。通过离体细胞实验发现CaMKII F89G突变后可降低其酶活性，在孵育NM-PP1可促进CaMKII F89G与GluN2B的结合。CaMKIIα敲除小鼠海马脑区LTP减弱，但在通过注射携带CaMKII F89G突变基因的病毒载体后孵育NM-PP1可改善这种LTP障碍。
此外，研究人员发现在光激活CaMKII激活后可促进神经元树突棘生长，Thr286位点突变后树突棘生长受限，但在给与AS283可逆转这种结构性LTP障碍。CaMKII F89G突变后光激活并不促进树突棘生长，但在NM-PP1孵育后可促进树突棘生长，表明促进CaMKII与GluN2B的结合可诱发LTP。
图3：促进CaMKII结构性结合Glu2NB逆转LTP障碍
总结
本文通过多个药理学手段揭示了CaMKII与GluN2B的结构性结合是突触可塑性LTP形成所需要的。