神經環(huán)路應用（37）丨即早基因在神經環(huán)路中應用

即早基因（Immediate-Early Genes, IEGs）是一類在神經元受到刺激后無需新蛋白質合成即可被快速且短暫激活的基因。它們在神經元對環(huán)境刺激的響應中發(fā)揮關鍵作用，參與發(fā)育、學習、程序性細胞死亡以及對損傷和藥物的反應等過程。IEGs常被稱為“遺傳響應的門戶”，通常在刺激后數分鐘至一小時內表達。即早基因是神經科學中標記神經元激活狀態(tài)的重要分子工具，它們無需新蛋白合成即可在神經元受刺激后數分鐘至1小時內快速、短暫表達，因此成為“神經活動的歷史記錄器”。

IEG編碼的蛋白產物包括可誘導的轉錄因子和效應蛋白。調控型IEGs（如c-Fos和Zif2668，又稱早期生長反應蛋白1，Egr1）可調節(jié)下游基因表達；而效應型IEGs（如活動調控細胞骨架相關蛋白Arc、Homer和腦源性神經營養(yǎng)因子BDNF）則直接在突觸發(fā)揮作用。IEGs具有表達迅速且短暫、基礎水平低、mRNA和蛋白產物不穩(wěn)定等特點。例如，FOS基因通常在刺激后30–60分鐘達表達峰值，90分鐘后恢復至基線水平。其激活不依賴初始蛋白質合成，翻譯抑制劑對其表達無影響。

常用即早基因

• c-Fos：最經典、應用最廣；

• FosB / ΔFosB：FosB的穩(wěn)定剪接變體，反映長期或重復激活；

• Arc：與突觸可塑性密切相關；

• Egr1 (Zif268/Krox-24)：參與學習記憶；

• Npas4：調控興奮-抑制平衡

在神經環(huán)路研究中的主要應用

1. 定位行為相關的激活腦區(qū)

給動物執(zhí)行特定任務（如恐懼記憶、社交、攝食），隨后檢測哪些腦區(qū)IEG表達升高。

例：讓小鼠攻擊幼崽后，發(fā)現MPOA中c-Fos顯著增加 → 提示該區(qū)域參與攻擊行為。

案例簡潔解析：（結合行為范式）

Fig1 Arc和c-Fos在多個被定量分析的腦區(qū)中呈現差異性表達

本研究采用情境恐懼條件反射（CFC）探究不同記憶狀態(tài)對即早基因 Arc 和 c-Fos 表達的影響。小鼠接受無電擊對照或三次電擊訓練，并在無電擊、編碼、1天提取或5天提取后1小時被安樂死，以捕獲各時間點誘導的 Arc 和 c-Fos 蛋白表達。

行為結果顯示，1天和5天提取組小鼠的僵直時間顯著高于無電擊組和編碼組，表明恐懼記憶成功形成并表達。為同時檢測兩種蛋白，采用兔源抗Arc與大鼠源抗c-Fos一抗組合，有效避免通道間交叉反應實現了在海馬、皮層及皮層下腦區(qū)對 Arc? 和 c-Fos? 細胞的可靠定量。結果顯示，在各時間點，每個腦區(qū)中最多約30%的細胞表達 Arc 或 c-Fos。

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2. 繪制功能連接圖譜

結合逆行/順行病毒示蹤 + IEG染色，可識別“被特定行為激活的輸入/輸出通路”。

例：在A腦區(qū)注射逆行病毒標記投射到B區(qū)的神經元，再結合c-Fos染色，判斷這些A→B神經元是否在某行為中被激活。

3. 篩選參與特定行為的神經元群體

IEG表達被廣泛用作功能性標記物，以識別對特定刺激或行為產生響應的神經元，為神經環(huán)路映射提供細胞分辨率。常用檢測方法包括原位雜交和免疫組織化學，可在組織固定前確定哪些腦區(qū)處于活躍狀態(tài)。熒光原位雜交（FISH）提高了時間分辨率，可在同一腦內區(qū)分不同經歷激活的神經元群體。

利用IEG啟動子驅動的遺傳工具（如Fos-CreERT2, TRAP小鼠），可在行為發(fā)生時“標記”活躍神經元，并在后續(xù)通過光/化學遺傳激活或抑制這群細胞。

轉基因報告小鼠（如Fos或Arc啟動子驅動熒光蛋白表達）可實現長時間尺度的皮層活動重復測量并以三維空間分辨率繪制行為相關環(huán)路。這些品系已與TRAP（靶向活性神經元群重組）等誘導技術整合：TRAP小鼠在IEG啟動子下表達他莫昔芬依賴的Cre重組酶，可操控和分析被激活的神經元集群。CANE（捕獲激活神經元集群）方法則利用IEG啟動子驅動不穩(wěn)定的TVA受體表達，實現對激活神經元的靶向病毒感染。

總結

IEG映射的優(yōu)勢包括可同時分析多個腦區(qū)的神經活動，并識別各區(qū)域的功能屬性；局限在于IEG誘導短暫、需精確把握分析時機，且可能無法標記環(huán)路中所有激活神經元。這些方法已被用于繪制特定行為相關的神經環(huán)路，并識別和分析激活的神經元集群。

文獻引用：

• Splitting Hares and Tortoises: A classification of neuronal immediate early gene transcription based on poised RNA polymerase II Saha R.N., Dudek S.M.Neuroscience , 2013 pp 175-181

• Bulthuis NE, Quintana LI, Stackmann M, Denny CA. Immediate-early genes Arc and c-Fos show divergent brain-wide expression following contextual fear conditioning. Commun Biol. 2025 Oct 9;8(1):1452. doi: 10.1038/s42003-025-08856-5. PMID: 41068278; PMCID: PMC12511597.

• Denny, C. A. et al. Hippocampal memory traces are differentially modulated by experience, time, and adult neurogenesis. Neuron83, 189–201 (2014).

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