表觀遺傳修飾對突觸可塑性的調(diào)控作用研究進展

王 沖

(陜西中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)科研實驗中心，陜西咸陽 712046)

長期以來，表觀遺傳修飾廣泛應(yīng)用在研究干細(xì)胞、癌癥和發(fā)育生物學(xué)等領(lǐng)域。最近研究人員發(fā)現(xiàn)表觀遺傳修飾在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，特別是發(fā)育過程和腦的高級功能如認(rèn)知中發(fā)揮重要作用。染色質(zhì)的表觀遺傳修飾多樣且復(fù)雜，對表觀遺傳修飾在神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域的研究離不開發(fā)育和進化生物學(xué)的發(fā)展。融合這些不同領(lǐng)域的研究結(jié)果已經(jīng)形成了新的概念和觀點，用來幫助人們更好的了解腦的基本和更高級的功能，認(rèn)識跨代間的行為特征遺傳過程。

學(xué)習(xí)和記憶是腦最重要的高級神經(jīng)功能之一。突觸可塑性是指神經(jīng)元細(xì)胞在神經(jīng)元活化后增強或削弱其連接的能力，被認(rèn)為是學(xué)習(xí)和記憶細(xì)胞水平的生物學(xué)基礎(chǔ)[1]，其機制不僅在簡單的生物體如海洋軟體動物，而且在脊椎動物中被廣泛研究。長期的突觸可塑性涉及參與突觸功能基因表達(dá)的變化，近年來，越來越多的研究表明，在無脊椎動物和脊椎動物中，表觀遺傳機制在調(diào)控突觸可塑性中發(fā)揮著重要作用，文章就此方面的研究進展進行了回顧。

1 表觀遺傳修飾概述

表觀遺傳學(xué)是指在不影響DNA序列的情況下改變基因表達(dá)的染色質(zhì)修飾，其機制包括microRNA、DNA甲基化和核小體組蛋白的翻譯后修飾。DNA甲基化是指DNA的化學(xué)修飾，由此將胞嘧啶轉(zhuǎn)化為5-甲基胞嘧啶，該過程常發(fā)生于富含Cp G二核苷酸的序列(稱為Cp G島)。Cp G多集中在基因的啟動子區(qū)和轉(zhuǎn)錄起始區(qū)，這些區(qū)域的DNA甲基化能引起染色質(zhì)重構(gòu)并阻礙轉(zhuǎn)錄因子與核酸序列的結(jié)合而抑制基因表達(dá)。甲基化的過程取決于甲基供體(由營養(yǎng)物質(zhì)如葉酸、甲硫氨酸和膽堿提供)和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶((DNA Methyltransferase，DNMTs)的存在。DNMTs分為DNMT1和DNMT3兩個家族，前者作用于僅有一條鏈甲基化的DNA雙鏈，使其完全甲基化；后者可識別半甲基化的DNA，為互補的胞嘧啶堿基添加甲基，包括DNMT3a和DNMT3b。由于甲基與胞嘧啶上C-5是共價結(jié)合，因此DNA甲基化被認(rèn)為是最穩(wěn)定的表觀遺傳標(biāo)記[2]?；虮磉_(dá)的表觀遺傳調(diào)控也可通過組蛋白的多個翻譯后修飾來介導(dǎo)，包括甲基化、乙?；头核鼗龋@些機制可以改變DNA的可及性和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的密度。其中，組蛋白乙?；c增加的轉(zhuǎn)錄活性相關(guān)，而組蛋白去乙?；瘎t與轉(zhuǎn)錄抑制相關(guān)。核小體組蛋白的乙?；癄顟B(tài)受到由甲基結(jié)合蛋白募集的組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferases，HATs)和組蛋白去乙?；?histone deacetylases，HDACs)的控制，HDAC抑制劑則可通過將組蛋白轉(zhuǎn)移到乙酰化狀態(tài)來有效增加基因的表達(dá)。染色質(zhì)通過這些復(fù)雜機制控制基因表達(dá)的時間和程度，為單基因型和多表型之間提供了聯(lián)系。

2 突觸可塑性的表觀遺傳調(diào)節(jié)

2.1 無脊椎動物的突觸可塑性

海兔的長期突觸可塑性在感覺運動突觸中的兩種主要形式，表現(xiàn)為長期促進(long-term facilitation，LTF)和長期抑制(long-term depression，LTD)[3]。LTF和LTD分別代表突觸傳遞的持續(xù)增加和持續(xù)減少[4]。同一個突觸中同時表達(dá)兩種形式的突觸可塑性意味著突觸反應(yīng)由可逆和雙向分子“開關(guān)”調(diào)制。在一項使用培養(yǎng)的海兔感覺運動神經(jīng)元研究中，Guan Z等[5]發(fā)現(xiàn)LTF伴隨著HAT CREB結(jié)合蛋白(CBP)與C/EBP(CCAAT/增強子結(jié)合蛋白，是CREB下游含有幾個CRE結(jié)合位點的基因)啟動子區(qū)域的結(jié)合而增加。同時，組蛋白3第14位賴氨酸(H3K14)、組蛋白4第8位賴氨酸(H4K8)乙?；虲/EBP轉(zhuǎn)錄水平也增加；而LTD因為招募HDAC5表現(xiàn)出相反的效應(yīng)。而使用HDAC抑制劑曲古抑菌素A(TSA)可以導(dǎo)致刺激后短期促進轉(zhuǎn)變?yōu)殚L期促進，提示乙?；恼w變化可以改變無脊椎動物的突觸可塑性。

2.2 脊椎動物突觸可塑性

脊椎動物突觸可塑性最突出的表現(xiàn)形式是長期増強(long-term potentiation，LTP)和長期抑制(LTD)。這兩種形式的可塑性分別反映突觸傳遞效率的增加和降低，并且已經(jīng)在海馬(學(xué)習(xí)記憶所需的腦區(qū))中進行了廣泛的研究[6]。

與海兔中的發(fā)現(xiàn)一致，組蛋白表觀遺傳修飾特別是組蛋白乙?；揎棽粌H與突觸可塑性相關(guān)，而且對其功能很重要。例如，小鼠HAT CBP失活降低了H2B整體乙?；?，并且削弱了海馬切片中轉(zhuǎn)錄依賴性晚期LTP的誘導(dǎo)，但不影響與轉(zhuǎn)錄無關(guān)的早期LTP的發(fā)生[7]；用HDAC抑制劑辛二酰苯胺異羥肟酸(SAHA)處理上述海馬切片可以改善晚期LTP。來自Cbpflox/flox和Cbp+/+小鼠的海馬切片顯示，海馬背側(cè)CA1區(qū)CBP的缺失破壞了LTP，進而損傷了小鼠的情景恐懼記憶和長期記憶[8]，表明組蛋白乙?；蚅TP之間存在因果聯(lián)系。此外，與海馬類似，TSA全身給藥增加了與情緒記憶相關(guān)腦區(qū)杏仁核中的LTP水平[9]，但這種廣泛的HDAC抑制劑不改變整個表觀基因組水平，而是具有位點特異性[10]。當(dāng)用TSA處理受到恐懼條件化的動物海馬切片時，只有一部分含有CRE的基因轉(zhuǎn)錄上調(diào)[10]。這些結(jié)果表明不同的環(huán)境刺激可以調(diào)節(jié)基因的特定表觀遺傳機制，這種結(jié)果可以讓人聯(lián)想到組蛋白代碼調(diào)制。此外，組蛋白去乙?；冈诰S持突觸可塑性中也發(fā)揮著重要作用。例如，研究人員用兩列高頻率的刺激誘導(dǎo)海馬切片LTP發(fā)生時，40 min后神經(jīng)元特異性過表達(dá)HDAC2的小鼠海馬切片興奮性突觸后電位(field excitatory postsynaptic potentials,fEPSPs)衰退至基線，而對照組小鼠海馬切片的fEPSPs仍然增強；用一系列高頻率刺激誘導(dǎo)LTP時，野生型小鼠fEPSPs顯示出短暫增強后迅速衰減，而誘導(dǎo)40 min后，來自HDAC2敲除小鼠的海馬切片顯示出強大的增強作用，這些結(jié)果表明HDAC2的過表達(dá)損害突觸可塑性，而HDAC2功能喪失則有助于突觸可塑性[11]，即HDAC2蛋白表達(dá)與突觸可塑性呈負(fù)相關(guān)。

DNA甲基化是另一個有助于調(diào)節(jié)突觸可塑性的表觀遺傳機制[12]。θ強直刺激后20 min，用DNA甲基化抑制劑5-氮雜-2-脫氧胞苷(5AZA，30 μmol/L)孵育大鼠海馬腦片，其LTP水平明顯低于對照組，且接近于用藥1 h后的基線值，表明DNA甲基化的早期改變可以損害LTP的誘導(dǎo)[13]。此外，用100 μmol/L RG108(一種抑制DNA甲基化的小分子競爭性DNMT拮抗劑)處理培養(yǎng)的皮層椎體神經(jīng)元24 h，可觀察到興奮性突觸后電流(mEPSC)振幅的累積分布向右移動，平均mEPSC振幅增加，采用定量方法，研究人員發(fā)現(xiàn)RG108以乘法方式增加了mEPSC的累積振幅，這些結(jié)果表明DNA甲基化的慢性、直接藥理學(xué)抑制可以倍增的提高興奮性強度，共價DNA修飾可能有助于突觸可塑性的誘導(dǎo)[14]。施用佛波醇酯激活蛋白激酶C(PKC)降低DNA甲基化，特別是在誘導(dǎo)突觸可塑性基因reelin的啟動子區(qū)域，PKC激活進一步伴隨增加c-Fos(參與突觸傳遞的立即早期基因)和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT3a的轉(zhuǎn)錄激活，表明DNA甲基化參與突觸信號級聯(lián)[15]。值得注意的是，研究發(fā)現(xiàn)DNMT抑制劑在成熟大鼠海馬切片中誘導(dǎo)的LTP缺陷可以通過增加組蛋白乙?；絹韽浹a，表明DNMT活性不僅對維持突觸可塑性是必需的，而且DNA甲基化可能與組蛋白修飾協(xié)同作用來調(diào)節(jié)海馬中學(xué)習(xí)記憶[16]。另外，研究人員使用條件性敲除小鼠發(fā)現(xiàn)DNMTs在突觸可塑性中的作用，用100HZ強直刺激誘導(dǎo)的海馬CA1區(qū)LTP在前腦興奮神經(jīng)元條件性雙敲除DNMT1和DNMT3a小鼠的海馬CA1區(qū)表現(xiàn)為顯著的減弱；用1Hz誘導(dǎo)15 min后條件性雙敲除小鼠表現(xiàn)出LTD增強，而單獨敲除DNMT1和DNMT3a小鼠海馬的LTP和LTD均顯示正常，表明DNMT1和DNMT3a對于維持正常的突觸可塑性是必需的[17]。

突觸可塑性調(diào)節(jié)的異常被認(rèn)為是學(xué)習(xí)記憶障礙的主要原因。許多以認(rèn)知和行為缺陷為特征的神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機制與突觸可塑性異常調(diào)節(jié)密切相關(guān)，因此對突觸可塑性調(diào)節(jié)的研究有利于揭示這類疾病的病理機制。鑒于表觀遺傳修飾在調(diào)控突觸可塑性功能上起重要作用，表觀遺傳修飾同樣對認(rèn)知功能障礙的調(diào)節(jié)具有重要作用。

3 認(rèn)知功能障礙中的表觀遺傳修飾

認(rèn)知是一個涉及多個腦功能的復(fù)雜過程，其中大部分功能尚未完全被了解。認(rèn)知障礙患者的臨床研究已經(jīng)提出了對這些機制的初步了解，對認(rèn)知障礙患者的研究可以幫助科學(xué)家更好的認(rèn)識表觀遺傳機制在認(rèn)知功能障礙相關(guān)疾病發(fā)生和發(fā)展中的作用，且由于表觀遺傳修飾是可逆的，所以表觀遺傳密碼也可能為認(rèn)知功能障礙未來的治療方法提供一個有希望的目標(biāo)。

3.1 Rett綜合征

Rett綜合征(Rett syndrome，RS)是一種相對常見的X染色體連鎖發(fā)育性疾病，表現(xiàn)為嚴(yán)重的運動和認(rèn)知障礙，且經(jīng)常伴發(fā)自閉癥。大多數(shù)RS是由編碼甲基CpG結(jié)合蛋白2(MeCP2)的基因突變引起的。MeCP2蛋白與基因啟動子上的甲基化CpG位點結(jié)合，通過與Sin3A和組蛋白去乙?；缸饔眯纬奢o阻遏物促進基因沉默，并通過與CREB作用，選擇性調(diào)節(jié)活性BDNF基因轉(zhuǎn)錄[18]。最近的研究表明，MeCP2的功能不僅能抑制基因轉(zhuǎn)錄，而且可以介導(dǎo)條件記憶形成過程中基因的激活[19]。這些研究為以后治療由MeCP2功能缺失引起的RS提供了新的靶基因。

3.2 阿爾茨海默病

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)是最常見的神經(jīng)退行性疾病之一。與AD相關(guān)的癥狀包括認(rèn)知和學(xué)習(xí)記憶相關(guān)腦區(qū)廣泛的神經(jīng)細(xì)胞死亡。AD的主要標(biāo)志之一是在腦區(qū)形成神經(jīng)毒性的β-淀粉樣蛋白肽斑塊沉積，這些肽由β和γ分泌酶介導(dǎo)的淀粉樣蛋白前體蛋白(APP)酶切產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)DNA甲基化與AD的發(fā)病有關(guān)。研究人員使用定量免疫組化方法檢測了正常人群和AD患者中海馬DNA甲基化標(biāo)志物5-甲基胞苷(5-mc)和羥甲基化標(biāo)志物5-羥甲基胞苷(5-hmC)的水平，結(jié)果顯示與正常人群相比，AD患者海馬中5-mc和5-hmC表達(dá)水平顯著降低(分別為19.6%和20.2%)，且5-mc和5-hmC表達(dá)水平與海馬淀粉樣斑塊沉積呈顯著負(fù)相關(guān)[20]。而AD患者在腦額中回和顳中回中5-mc和5-hmC表達(dá)水平顯著增加，且5-mc和5-hmC在全腦中的表達(dá)水平彼此呈正相關(guān)，并與AD的其他標(biāo)志物如淀粉樣蛋白、tau也呈正相關(guān)；研究人員使用雙熒光免疫標(biāo)記發(fā)現(xiàn)5-mc和5-hmC在AD患者星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)水平較低，而在神經(jīng)元中表達(dá)升高[21]。這些研究結(jié)果清楚地表明5-mc和5-hmC參與了AD病程發(fā)生，但未來仍需要更多的研究來確定這些表觀遺傳變化參與AD病理進展的確切時間點。

另外，研究人員用AD小鼠相關(guān)病理模型發(fā)現(xiàn)AD的發(fā)生與乙?；癄顟B(tài)的改變有關(guān)。例如，在tg2576小鼠(淀粉樣蛋白病理學(xué)模型)中可以觀察到組蛋白H4而不是H3乙酰化水平的降低[22]。而在6和16個月齡的tg2576小鼠中，全腦給藥HDAC抑制劑苯基丁酸酯可以恢復(fù)相關(guān)記憶功能和突觸可塑性[23]。同樣的，慢性注射HDAC抑制劑如丙戊酸鈉、丁酸鈉等能恢復(fù)APP/PS1D9小鼠(另一種淀粉樣蛋白病理學(xué)模型)的聯(lián)想記憶[24]。在另一個AD淀粉樣病理學(xué)模型中，HDAC抑制劑曲古抑菌素A給藥可以恢復(fù)APP/PS1小鼠聯(lián)想記憶功能和海馬LTP[25]，在這項研究中研究人員還發(fā)現(xiàn)APP/PS1小鼠暴露于學(xué)習(xí)刺激下組蛋白H4乙酰化水平降低。以上這些研究結(jié)果顯示出未來在臨床上使用HDAC抑制劑作為新的治療靶點干預(yù)治療AD的可能性。

4 小結(jié)

綜上所述，表觀遺傳修飾在突觸可塑性及認(rèn)知功能障礙中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。雖然目前表觀遺傳修飾對突觸可塑性的調(diào)控研究尚處于初始階段，諸如各種修飾之間的聯(lián)系等諸多問題尚有待深入研究，然而這些研究對于進一步揭示學(xué)習(xí)記憶的分子機制具有重要的意義，而且也必將為某些神經(jīng)類疾病的治療提供新的思路。