神经环路应用（37）丨即早基因在神经环路中应用

即早基因（Immediate-Early Genes, IEGs）是一类在神经元受到刺激后无需新蛋白质合成即可被快速且短暂激活的基因。它们在神经元对环境刺激的响应中发挥关键作用，参与发育、学习、程序性细胞死亡以及对损伤和药物的反应等过程。IEGs常被称为“遗传响应的门户”，通常在刺激后数分钟至一小时内表达。即早基因是神经科学中标记神经元激活状态的重要分子工具，它们无需新蛋白合成即可在神经元受刺激后数分钟至1小时内快速、短暂表达，因此成为“神经活动的历史记录器”。

IEG编码的蛋白产物包括可诱导的转录因子和效应蛋白。调控型IEGs（如c-Fos和Zif2668，又称早期生长反应蛋白1，Egr1）可调节下游基因表达；而效应型IEGs（如活动调控细胞骨架相关蛋白Arc、Homer和脑源性神经营养因子BDNF）则直接在突触发挥作用。IEGs具有表达迅速且短暂、基础水平低、mRNA和蛋白产物不稳定等特点。例如，FOS基因通常在刺激后30–60分钟达表达峰值，90分钟后恢复至基线水平。其激活不依赖初始蛋白质合成，翻译抑制剂对其表达无影响。

常用即早基因

• c-Fos：最经典、应用最广；

• FosB / ΔFosB：FosB的稳定剪接变体，反映长期或重复激活；

• Arc：与突触可塑性密切相关；

• Egr1 (Zif268/Krox-24)：参与学习记忆；

• Npas4：调控兴奋-抑制平衡

在神经环路研究中的主要应用

1. 定位行为相关的激活脑区

给动物执行特定任务（如恐惧记忆、社交、摄食），随后检测哪些脑区IEG表达升高。

例：让小鼠攻击幼崽后，发现MPOA中c-Fos显著增加 → 提示该区域参与攻击行为。

案例简洁解析：（结合行为范式）

Fig1 Arc和c-Fos在多个被定量分析的脑区中呈现差异性表达

本研究采用情境恐惧条件反射（CFC）探究不同记忆状态对即早基因 Arc 和 c-Fos 表达的影响。小鼠接受无电击对照或三次电击训练，并在无电击、编码、1天提取或5天提取后1小时被安乐死，以捕获各时间点诱导的 Arc 和 c-Fos 蛋白表达。

行为结果显示，1天和5天提取组小鼠的僵直时间显著高于无电击组和编码组，表明恐惧记忆成功形成并表达。为同时检测两种蛋白，采用兔源抗Arc与大鼠源抗c-Fos一抗组合，有效避免通道间交叉反应实现了在海马、皮层及皮层下脑区对 Arc⁺ 和 c-Fos⁺ 细胞的可靠定量。结果显示，在各时间点，每个脑区中最多约30%的细胞表达 Arc 或 c-Fos。

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2. 绘制功能连接图谱

结合逆行/顺行病毒示踪 + IEG染色，可识别“被特定行为激活的输入/输出通路”。

例：在A脑区注射逆行病毒标记投射到B区的神经元，再结合c-Fos染色，判断这些A→B神经元是否在某行为中被激活。

3. 筛选参与特定行为的神经元群体

IEG表达被广泛用作功能性标记物，以识别对特定刺激或行为产生响应的神经元，为神经环路映射提供细胞分辨率。常用检测方法包括原位杂交和免疫组织化学，可在组织固定前确定哪些脑区处于活跃状态。荧光原位杂交（FISH）提高了时间分辨率，可在同一脑内区分不同经历激活的神经元群体。

利用IEG启动子驱动的遗传工具（如Fos-CreERT2, TRAP小鼠），可在行为发生时“标记”活跃神经元，并在后续通过光/化学遗传激活或抑制这群细胞。

转基因报告小鼠（如Fos或Arc启动子驱动荧光蛋白表达）可实现长时间尺度的皮层活动重复测量并以三维空间分辨率绘制行为相关环路。这些品系已与TRAP（靶向活性神经元群重组）等诱导技术整合：TRAP小鼠在IEG启动子下表达他莫昔芬依赖的Cre重组酶，可操控和分析被激活的神经元集群。CANE（捕获激活神经元集群）方法则利用IEG启动子驱动不稳定的TVA受体表达，实现对激活神经元的靶向病毒感染。

总结

IEG映射的优势包括可同时分析多个脑区的神经活动，并识别各区域的功能属性；局限在于IEG诱导短暂、需精确把握分析时机，且可能无法标记环路中所有激活神经元。这些方法已被用于绘制特定行为相关的神经环路，并识别和分析激活的神经元集群。

文献引用：

• 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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