在社会性动物中，个体之间的竞争与等级地位的确立对资源分配、群体稳定性和能量节约具有关键意义。然而，尽管已知中前额皮层（medial prefrontal cortex, mPFC）在调控社会竞争行为和社会等级中起重要作用，但其具体的分子调控机制仍未完全明确。本研究探讨了在竞争行为和社会等级变化过程中，长链非编码RNA（lncRNA）SERA及其通过对PKM2的调控在大脑兴奋性神经元中的作用。

这一研究由华中科技大学同济医学院病理生理学系、波士顿大学生物系和辛辛那提儿童医院等多家机构的研究者联合开展，于2024年在《Cell Discovery》期刊发表，展示了SERA/PKM2通路在社会行为调控中的新机制。

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研究方法与实验设计

研究分为以下几个阶段，采用了多种创新实验技术和手段：

1. 社会竞争与等级测定

• 实验动物及分组： 使用C57BL/6小鼠，通过食物竞争实验和管道实验测量小鼠在社会群体中的竞争能力和社会等级。
• 行为测试：
  • 管道实验： 两只小鼠从相对的方向进入管道，通过推挤将对方退回为胜者，确定等级顺序。
  • 温暖点实验： 在冷环境中观察小鼠对唯一温暖点的占领时间。
  • 食物竞争实验： 饥饿小鼠通过竞争获取单一食物颗粒，建立明确的竞争顺序。

2. 神经元活动记录与分析

• 电极植入与记录： 通过微电极阵列记录小鼠在竞争行为中中前额皮层腹侧区（prelimbic cortex, PL）兴奋性神经元的活动。
• 神经元分类： 基于竞争成功或失败和对手等级的差异活动模式，将神经元划分为竞争相关、等级相关或两者相关的类型。

3. 分子机制解析

• RNA测序与剪接事件分析： 利用荧光激活细胞分选（FACS）技术，从竞争能力高和低的小鼠PL兴奋性神经元中分离RNA，进行全基因组RNA测序，并分析替代剪接事件。
• PKM基因剪接模式检测： 发现竞争能力高的小鼠中，PKM基因的剪接模式发生变化，PKM1/PKM2比例显著降低。

4. 功能验证

• PKM2表达调控： 使用Tet-On/Off系统，通过腺相关病毒（AAV）介导的基因编辑，在小鼠PL兴奋性神经元中调控PKM2的表达。
• SERA功能验证： 通过SERA过表达或敲低实验，验证其对PKM剪接及竞争行为的调控作用。

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研究结果与发现

1. PKM剪接模式与社会竞争

• 竞争能力高的小鼠PL兴奋性神经元中，PKM基因的第9和第10外显子利用模式显著改变，导致PKM1/PKM2比例下降。
• 调控PKM2表达后，发现其对竞争相关神经元活动的即时调节作用，并进一步影响竞争能力和社会等级。

2. SERA调控PKM剪接

• SERA是一种lncRNA，主要分布于PL兴奋性神经元中，表现出与PKM1/PKM2表达负相关的模式。
• 实验验证显示，SERA通过阻断PKM第10外显子后的剪接位点与U1 snRNP的结合，抑制PKM2的生成，从而提高PKM1/PKM2比例。

3. PKM2对突触功能的影响

• PKM2在突触后定位，通过磷酸化AMPA受体（AMPAR）Glua1亚基的Ser845位点，促进其膜表达，从而增强突触传递效率。
• 抑制Glua1磷酸化的小肽实验表明，该过程直接影响小鼠的竞争能力和社会等级。

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研究意义与应用前景

本研究首次揭示了SERA/PKM2通路在社会行为中的核心作用。以下是研究的主要意义：

1. 理论意义：

   • 拓展了对社会行为神经机制的理解，尤其是竞争行为如何通过神经元活动与分子机制结合影响社会等级。
   • 提供了PKM2在突触功能中的新机制，即其作为蛋白激酶调控AMPAR的膜表达。

2. 潜在应用：

   • 为精神疾病（如抑郁症、孤独症）中的社会功能障碍研究提供了新靶点。
   • 在神经调控和行为干预领域，PKM2可能成为改善社会行为的重要分子靶点。

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研究亮点与创新点

1. 方法创新： 结合了行为学、分子生物学和电生理记录技术，提供了多层次的研究视角。
2. 新机制发现： 首次发现lncRNA SERA通过调控PKM剪接参与竞争行为调控。
3. 应用价值： 研究结果为社会行为调控的分子干预提供了可能性。

该研究通过多学科结合，揭示了社会竞争行为背后的复杂分子机制，并为理解社会等级的形成与维持提供了重要参考。