Journal Club (November 1, 2021)

Cell Reports Volume 36, Issue 2, 13 July 2021, 109369

Molecular motor protein KIF5C mediates structural plasticity and long-term memory by constraining local translation (分子モータータンパク質KIF5Cは、局所的な翻訳を抑制することで、構造的な可塑性と長期記憶を媒介する)

SupriyaSwarnkar¹YosefAvchalumov¹⁴IsabelEspadas¹⁴EddieGrinman¹Xin-anLiu¹⁵Bindu L.Raveendra¹AyaZucca¹SoniaMediouni²AbhishekSadhu¹SusanaValente²DamonPage¹KyleMiller³Sathyanarayanan V.Puthanveettil¹⁶

Department of Neuroscience, Scripps Florida, 130 Scripps Way, Jupiter, FL 33458, USA
Department of Immunology and Microbiology, Scripps Florida, 130 Scripps Way, Jupiter, FL 33458, USA
Department of Integrative Biology, Michigan State University, East Lansing, MI, USA

・スクリプス研究所(The Scripps Research Institute, TSRI)は、米国で生物医療科学の研究と教育を行っている研究施設(カリフォルニア州サンディエゴとフロリダ州ジュピター)である。

Received 17 June 2020, Revised 16 February 2021, Accepted 18 June 2021, Available online 13 July 2021.

Published: July 13, 2021

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109369

Highlights
•KIF5C expression constrains excitatory synaptic transmission and structural plasticity

•KIF5C mediates the long-distance transport of substrates of local translation

•EIF3G modulates the effects of KIF5C on dendritic arborization and spine morphology

•Overexpression of KIF5C in CA1 neurons enhances spatial memory

Summary

Synaptic structural plasticity, key to long-term memory storage, requires translation of localized RNAs delivered by long-distance transport from the neuronal cell body. Mechanisms and regulation of this system remain elusive. Here, we explore the roles of KIF5C and KIF3A, two members of kinesin superfamily of molecular motors (Kifs), and find that loss of function of either kinesin decreases dendritic arborization and spine density whereas gain of function of KIF5C enhances it. KIF5C function is a rate-determining component of local translation and is associated with ∼650 RNAs, including EIF3G, a regulator of translation initiation, and plasticity-associated RNAs. Loss of function of KIF5C in dorsal hippocampal CA1 neurons constrains both spatial and contextual fear memory, whereas gain of function specifically enhances spatial memory and extinction of contextual fear. KIF5C-mediated long-distance transport of local translation substrates proves a key mechanism underlying structural plasticity and memory.

長期記憶の鍵となるシナプス構造の可塑性には、ニューロン細胞体から長距離輸送されてきた局在性RNAの翻訳が必要である。しかし、このシステムの仕組みや制御については、まだよくわかっていない。我々は、キネシンスーパーファミリーの分子モーター（Kif）の2つのメンバーであるKIF5CとKIF3Aの役割を調べ、どちらかのキネシンの機能を喪失すると、樹状突起の形成とスパインの密度が減少するのに対し、KIF5Cの機能をgain of functionすると、樹状突起の形成とスパインの密度が増加することを明らかにした。KIF5Cの機能は、局所的な翻訳の速度を決定する要素であり、翻訳開始の制御因子であるEIF3G(真核生物の翻訳開始因子3サブユニット)や可塑性関連RNAなど、約650種類のRNAと関連している背側海馬CA1ニューロンにおけるKIF5Cのloss of function機能喪失は、空間的恐怖記憶と文脈的恐怖記憶の両方を制約するが、gain of function機能獲得は空間的記憶と文脈的恐怖の消滅を特異的に促進する。KIF5Cが局所的な翻訳基質を長距離輸送することは、構造的な可塑性と記憶を支える重要なメカニズムであることを証明している。

Keywords: local translation RNA transport learning and memory synaptic transmission structural plasticity molecular motor proteins kinesin