學(xué)習(xí)記憶與表觀遺傳學(xué)

馬 慧 李樹民 (內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010059)

學(xué)習(xí)和記憶是不同而又密切聯(lián)系的神經(jīng)生物學(xué)活動(dòng)，學(xué)習(xí)是獲得新知識(shí)的過程，而記憶是將學(xué)到的知識(shí)加以保留的過程。學(xué)習(xí)和記憶是大腦的重要功能之一，有著十分復(fù)雜的生物學(xué)機(jī)制。學(xué)習(xí)記憶的分子生物學(xué)調(diào)控機(jī)制大致可分為增強(qiáng)學(xué)習(xí)記憶的正調(diào)控機(jī)制和抑制學(xué)習(xí)記憶形成的負(fù)調(diào)控機(jī)制兩大類〔1〕。近年來，學(xué)習(xí)記憶的調(diào)控機(jī)制又有了新的突破，即表觀遺傳修飾。隨著表觀遺傳學(xué)研究的不斷深入及方法日趨成熟，表觀遺傳學(xué)與學(xué)習(xí)記憶之間的密切關(guān)系已引起廣泛關(guān)注。

1 表觀遺傳學(xué)

1.1 表觀遺傳學(xué)簡介 表觀遺傳學(xué)(epigenetics)是傳統(tǒng)遺傳學(xué)的分支，由英國科學(xué)家Waddington〔2〕最早提出，其涵義為在DNA序列不發(fā)生改變的情況下，基因的表達(dá)與功能發(fā)生改變，并產(chǎn)生可遺傳的表型。表觀遺傳學(xué)是經(jīng)典遺傳學(xué)的補(bǔ)充與進(jìn)一步的發(fā)展，涉及何時(shí)、何地以何種方式去應(yīng)用遺傳學(xué)信息的概念〔3〕。表觀遺傳學(xué)的問世，大大豐富了傳統(tǒng)遺傳學(xué)的內(nèi)容，使我們認(rèn)識(shí)到基因組包括兩類遺傳信息:即DNA序列遺傳信息及表觀遺傳學(xué)信息。人體及細(xì)胞正常功能的維持是這兩種信息互相作用、保持平衡的結(jié)果，如果這兩種因素的任何一種表達(dá)失衡，都有可能導(dǎo)致疾病的發(fā)生。因此，表觀遺傳學(xué)研究是生命科學(xué)中一個(gè)普遍而又極其重要的新的研究領(lǐng)域，它不僅對(duì)基因的表達(dá)、調(diào)控、遺傳有重要作用〔2，3〕，而且在生命發(fā)育〔4〕、腫瘤發(fā)生〔5，6〕、炎癥〔7～9〕、衰老及再生醫(yī)學(xué)〔10，11〕、免疫〔12〕、血管新生〔13〕、變性性疾病的發(fā)生與防治中起著極其重要的作用〔10～11〕。

1.2 表觀遺傳學(xué)的主要調(diào)節(jié)機(jī)制 目前，表觀遺傳學(xué)的主要調(diào)節(jié)機(jī)制有:DNA 甲基化〔14〕，組蛋白修飾〔15〕，染色質(zhì)重塑及非編碼RNA等幾種調(diào)節(jié)機(jī)制〔16〕。

1.2.1 DNA甲基化 DNA甲基化是由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶催化S腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，將胞嘧啶轉(zhuǎn)化為5-甲基胞嘧啶的反應(yīng)。CG二核苷酸是最主要的甲基化位點(diǎn)，人類的CpG以兩種形式存在，一是分散于DNA中，另一種是CpG結(jié)構(gòu)高度聚集的CpG島。正常組織中分散于DNA中的CpG 70%～90%的位點(diǎn)通常是甲基化的，而位于基因啟動(dòng)子區(qū)的健康人基因組中CpG島處于非甲基化的狀態(tài)，CpG島的甲基化可直接導(dǎo)致相關(guān)基因的沉默。DNA甲基化一般與基因沉默有關(guān)，而去甲基化與基因活化有關(guān)。甲基化與去甲基化可由不同的酶來催化。甲基化能改變基因的構(gòu)型，從而影響轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄，而影響該基因的表達(dá)。

1.2.2 組蛋白修飾 組蛋白是染色質(zhì)基本結(jié)構(gòu)-核小體中的重要組成部分，它能發(fā)生乙?；?、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化等不同類型的共價(jià)修飾，引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變和基因轉(zhuǎn)錄活性變化。其中，乙?；亲钤绨l(fā)現(xiàn)且研究最為深入的組蛋白修飾方式。組蛋白乙?；诮M蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶(HATs)和組蛋白去乙?；?HDACs)的調(diào)節(jié)作用下處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。組蛋白經(jīng)乙?；揎椖苁谷旧|(zhì)結(jié)構(gòu)變得松散、轉(zhuǎn)錄因子更易于與基因啟動(dòng)子區(qū)相互結(jié)合并促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。因此，HATs能夠促進(jìn)基因的轉(zhuǎn)錄，相反，HDACs能夠誘導(dǎo)染色質(zhì)固縮和基因沉默。

1.2.3 染色質(zhì)重塑 染色質(zhì)位置和結(jié)構(gòu)的變化稱為染色質(zhì)重塑(remodeling)。核小體連接處密集的染色質(zhì)絲發(fā)生松解時(shí)，染色質(zhì)解壓縮，與基因轉(zhuǎn)錄有關(guān)的啟動(dòng)子區(qū)中的順式作用元件被暴露，這種狀態(tài)有利于轉(zhuǎn)錄因子與之結(jié)合。研究表明，主要由兩類結(jié)構(gòu)介導(dǎo)染色體重塑:一類是ATP依賴型核小體重塑復(fù)合體，通過水解作用改變核小體構(gòu)型;另一類是組蛋白修飾復(fù)合體，主要通過對(duì)核心組蛋白N端尾部的共價(jià)修飾進(jìn)行催化。

1.2.4 非編碼RNA 非編碼RNA包括長鏈非編碼RNA和短鏈非編碼RNA。長鏈非編碼RNA常在基因組中建立單等位基因表達(dá)模式，在核糖核蛋白復(fù)合物中充當(dāng)催化中心，對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變發(fā)揮著重要的作用。短鏈RNA(又稱小RNA)在基因組水平對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，其可介導(dǎo)mRNA的降解，誘導(dǎo)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，決定著細(xì)胞的分化命運(yùn)，還對(duì)外源的核酸序列有降解作用以保護(hù)本身的基因組。而常見的短鏈RNA為小干涉 RNA(short interfering RNA，siRNA)和微小 RNA(microRNA，miRNA)〔17〕。

2 學(xué)習(xí)記憶中的表觀遺傳學(xué)機(jī)制

2.1 DNA甲基化修飾 根據(jù)記憶儲(chǔ)存時(shí)間長短的不同，可分為短期記憶(short-term memory，STM)和長期記憶(long-term memory，LTM)。Miller等〔18，19〕首先提出 DNA 甲基化可能在長期記憶形成過程中起著關(guān)鍵作用的假說，他們通過條件性恐懼記憶研究表明DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶DNMT的活性與長期記憶和LTP有關(guān)。而DNMT抑制劑5-AZA或zebularin可以逆轉(zhuǎn)甲基化并使記憶抑制基因PP1表達(dá)下調(diào)，從而阻礙了恐懼記憶的形成〔18〕。有趣的是，海馬內(nèi)的DNA甲基化水平在24 h內(nèi)又回到了基礎(chǔ)水平，而此時(shí)恐懼記憶仍然保持了下來。這表明在海馬區(qū)，DNA甲基化可能不是一個(gè)維持記憶的機(jī)制，而是一種基因瞬時(shí)表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。不只是恐懼記憶，可卡因介導(dǎo)的條件性記憶形成也需要海馬內(nèi)的基因甲基化水平改變〔20〕。

有研究發(fā)現(xiàn)，在出生后的Emx1小鼠前腦背部的興奮性神經(jīng)元中如果進(jìn)行DNMT1和DNMT3a的雙敲除，細(xì)胞體積會(huì)減小，同時(shí)LTP受損，LTD加強(qiáng)，空間記憶和恐懼記憶的形成能力受損，然而只敲除DNMT1或DNMT3a都不會(huì)有以上的異?，F(xiàn)象發(fā)生〔21〕。此外還發(fā)現(xiàn)，雙敲小鼠前腦中免疫相關(guān)基因表達(dá)水平上升，甲基化水平下降。尤其是參與神經(jīng)可塑性和干擾素調(diào)節(jié)途徑的蛋白Stat1，在神經(jīng)元中表現(xiàn)出mRNA水平的上升和甲基化水平的下降。這些結(jié)果表明，DNA甲基化可能通過影響突觸相關(guān)蛋白的表達(dá)來調(diào)控突觸可塑性和記憶，而DNMT1和DNMT3a在興奮性神經(jīng)元中可能具有互補(bǔ)的作用。

條件性恐懼記憶的形成最初依賴于海馬，但經(jīng)歷了約3 w的鞏固時(shí)間后，記憶開始依賴于前額葉皮質(zhì)，包括前扣帶回，并獨(dú)立于海馬〔22〕。為了研究記憶的維持是否確實(shí)需要DNA甲基化參與，Miller等〔23〕開始著眼于前扣帶回而非海馬區(qū)。在經(jīng)歷了恐懼環(huán)境后，鈣調(diào)磷酸酶(CaN)基因的高甲基化水平維持了至少30 d，相應(yīng)的，其mRNA和蛋白水平的下降也維持了至少1個(gè)月。當(dāng)訓(xùn)練29 d后，將DNMT抑制劑注射入前扣帶回發(fā)現(xiàn)，CaN表達(dá)水平下降和記憶保持的現(xiàn)象均被破壞，此結(jié)果說明前扣帶回中DNA甲基化和去甲基化處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，且為記憶維持所必需。

2.2 組蛋白修飾與染色質(zhì)重塑 LTP參與了突觸可塑性的形成，在學(xué)習(xí)記憶中起著重要作用。LTP經(jīng)誘導(dǎo)后，細(xì)胞內(nèi)Ca2+激活各種蛋白激酶，這些蛋白激酶包括CaM依賴蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)、蛋白激酶C(PKC)和蛋白激酶A(PKA)，后者與cAMP結(jié)合進(jìn)入細(xì)胞核，使cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)磷酸化，調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄和新的蛋白質(zhì)合成。Levenson等〔24〕證明海馬CA1區(qū)組蛋白H3的乙?；芸謶执碳さ恼{(diào)節(jié)，該效應(yīng)依賴于NMDA受體和ERK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，抑制ERK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可以阻斷H3乙?；饔谩＝Y(jié)果表明，染色質(zhì)構(gòu)型重塑參與了長時(shí)程記憶的形成以及海馬LTP。

CREB結(jié)合蛋白(CBP)缺失，導(dǎo)致大鼠在空間位置、條件性恐懼記憶以及新事物認(rèn)知實(shí)驗(yàn)測試中表現(xiàn)記憶缺失，給予HDAC抑制劑處理后，又可形成正常的長時(shí)程記憶，而且還可以增強(qiáng)正常大鼠的記憶〔24，25〕，進(jìn)一步證明染色質(zhì)構(gòu)型重塑在學(xué)習(xí)和記憶過程中具有重要作用。激活蛋白激酶途徑可以導(dǎo)致記憶的形成，恐懼條件下細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白激酶途徑被激活，增加了海馬CA1區(qū)的組蛋白H3磷酸乙酰化，導(dǎo)致了記憶的形成。在上述的學(xué)習(xí)和記憶模型中并沒有觀察到組蛋白H4乙?；硪粋€(gè)引起染色質(zhì)激活的標(biāo)志，表明組蛋白H3乙酰化標(biāo)記了一個(gè)慢性的穩(wěn)定的事件，而H4乙酰化標(biāo)記了一個(gè)比較急性的動(dòng)態(tài)改變。而破壞乙?；?，會(huì)降低大鼠在新事物認(rèn)知、水迷宮中的空間記憶及對(duì)恐懼環(huán)境感知測試中多種形式的學(xué)習(xí)和記憶能力〔25〕。相反地，通過化學(xué)抑制劑阻斷去乙?；割惪商岣邔W(xué)習(xí)和記憶行為的測試水平。這些研究共同表明依賴于神經(jīng)傳遞的活動(dòng)如經(jīng)驗(yàn)等使組蛋白乙酰化，是學(xué)習(xí)和記憶的必需條件。

2.3 非編碼RNA 對(duì)果蠅的研究已經(jīng)表明，miRNAs可以作用于許多神經(jīng)轉(zhuǎn)錄因子，在神經(jīng)系統(tǒng)中參與細(xì)胞命運(yùn)的決定、神經(jīng)連接、細(xì)胞形狀和黏附以及突觸的功能〔26〕，大腦可以形成新的突觸或者重新形成突觸，加強(qiáng)重要的突觸鏈接，形成新的連接，減弱不重要的連接，依賴這種方式生物可以進(jìn)行學(xué)習(xí)并適應(yīng)周圍的環(huán)境。哺乳動(dòng)物樹突蛋白的局部合成對(duì)于突觸可塑性是必要的，而這些是學(xué)習(xí)和記憶的分子基礎(chǔ)〔27〕。與突觸蛋白的合成有關(guān)基因都是miRNAs的潛在靶基因，miRNAs可以根據(jù)突觸活性的改變來調(diào)控局部翻譯，進(jìn)而調(diào)控突觸的生長和強(qiáng)度〔28〕。

最近的一項(xiàng)研究表明，miR-134可以影響大腦細(xì)胞之間建立突觸連接，并因此而影響生物的學(xué)習(xí)記憶能力。在這項(xiàng)研究中研究人員利用大鼠證明了miR-134可以調(diào)控樹突棘的大小，當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞在miR-134存在的情況下樹突數(shù)量會(huì)減少，從而減弱突觸的形成。當(dāng)miR-134被抑制后，樹突數(shù)量就會(huì)增加，突觸的連接也因此加強(qiáng)〔29〕。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究表明:miR-134可以起到抑制Limk1基因表達(dá)的作用，這個(gè)基因是促進(jìn)樹突形成的。還有報(bào)道顯示，當(dāng)成年小鼠前腦Dicer1基因(參與miRNA的加工和miRNA:RISC的裝配)敲除后，小鼠表現(xiàn)為全體腦特異性miRNA進(jìn)行性缺失、學(xué)習(xí)和記憶能力增強(qiáng)、神經(jīng)元樹突棘呈增長的絲狀偽足樣外觀，并且BDNF、MMP-9等突觸可塑性相關(guān)蛋白的表達(dá)量明顯增多〔30〕，這也表明在哺乳動(dòng)物中miRNA在學(xué)習(xí)和記憶過程中也發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。

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