mRNA m6A修飾對學(xué)習(xí)記憶的影響及與中醫(yī)理論的關(guān)系初探*

楊竹青 劉 前 孫民朋 侯俊林 楊 琨 羅亞楠 黃雪杰

(1.河南中醫(yī)藥大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.河南中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，河南 鄭州 450046)

表觀遺傳修飾與學(xué)習(xí)記憶功能有著密切的關(guān)系。以往研究[1,2]發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化、組蛋白修飾等在學(xué)習(xí)記憶功能中均發(fā)揮重要作用。近年來，RNA修飾對學(xué)習(xí)記憶的影響逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。m6A作為真核生物mRNA中最為豐富的一種甲基化修飾，目前已經(jīng)得到了較為透徹的研究，故本文圍繞mRNA m6A修飾及其對學(xué)習(xí)記憶的調(diào)控做一介紹，并從中醫(yī)理論角度對其進(jìn)行初步分析。

1 m6A修飾及其對學(xué)習(xí)記憶的影響

RNA中存在有多種不同的修飾，其中mRNA中的N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine，m6A)修飾是最常見的一種，也是mRNA中最為豐富的甲基化修飾形式。m6A修飾主要發(fā)生在保守基序RRACH(R=G/A;H=A/C/U)的腺嘌呤上，且是動態(tài)可逆的。其在甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下發(fā)生甲基化，并與結(jié)合蛋白特異性結(jié)合 ，通過去甲基酶發(fā)生去甲基化，以此調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄后表達(dá)[3,4]。甲基轉(zhuǎn)移酶包括甲基轉(zhuǎn)移酶樣蛋白3(METTL3)、甲基轉(zhuǎn)移酶樣蛋白14(METTL14)、Wilms腫瘤抑制因子1相關(guān)蛋白(WTAP)等，去甲基化酶包括脂肪與肥胖相關(guān)基因蛋白(FTO)和ALKB同源蛋白5(ALKBH5)，而m6A結(jié)合蛋白主要有YTH結(jié)構(gòu)域家族蛋白1(YTHDF1)、YTH結(jié)構(gòu)域家族蛋白2(YTHDF2)、YTH結(jié)構(gòu)域家族蛋白3(YTHDF3)和YTH結(jié)構(gòu)域蛋白2(YTHDC2)等。m6A修飾通過以上這些來參與調(diào)控mRNA的加工代謝以及細(xì)胞分化、胚胎發(fā)育、大腦神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、生物節(jié)律、應(yīng)激反應(yīng)等各種生物學(xué)過程[5]。

m6A修飾可通過影響突觸可塑性，進(jìn)而對學(xué)習(xí)記憶功能起到調(diào)控作用。神經(jīng)元的突觸可塑性是學(xué)習(xí)記憶的主要生理基礎(chǔ)[6]。m6A修飾調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育和功能，對神經(jīng)元突觸功能具有關(guān)鍵作用，有研究[7,8]表明，m6A修飾的增加可改變轉(zhuǎn)錄組對突觸可塑性的反應(yīng)。Shi H等[9]發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)中敲除YTHDF1的小鼠表現(xiàn)出學(xué)習(xí)和記憶缺陷的同時，其海馬區(qū)神經(jīng)元興奮性突觸的功能和可塑性也受到了損傷。這些進(jìn)一步證明了m6A修飾變化可影響神經(jīng)元突觸，進(jìn)而影響學(xué)習(xí)記憶能力。

m6A修飾豐度及其相關(guān)蛋白酶表達(dá)與學(xué)習(xí)記憶過程具有關(guān)聯(lián)性。有研究[10]發(fā)現(xiàn)，隨著學(xué)習(xí)訓(xùn)練的提高，小鼠前額葉中m6A豐度也會隨之提高。Zhang Z Y等[11]發(fā)現(xiàn)，小鼠海馬中METTL3的豐度與學(xué)習(xí)記憶能力相關(guān)。METTL3可調(diào)控相關(guān)表達(dá)基因的翻譯效率，進(jìn)而影響小鼠記憶的形成，在實(shí)驗(yàn)中敲除METTL3的小鼠會表現(xiàn)出長時記憶能力的下降，但若進(jìn)行足夠的訓(xùn)練或恢復(fù)METTL3的m6A甲基轉(zhuǎn)移酶功能，則又可以獲得未受損的學(xué)習(xí)結(jié)果。同樣YTHDF1也可以促進(jìn)m6A修飾中相關(guān)mRNA轉(zhuǎn)錄本的蛋白翻譯，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)和記憶，敲除YTHDF1的小鼠也會表現(xiàn)出學(xué)習(xí)記憶的下降[9]。這些表明了m6A修飾及其相關(guān)蛋白酶參與到學(xué)習(xí)記憶的調(diào)控當(dāng)中，其豐度的差別可能會導(dǎo)致學(xué)習(xí)能力的不同。

在大腦中高表達(dá)的去甲基化酶FTO同樣參與學(xué)習(xí)記憶的調(diào)控。Walters B J等[12]研究發(fā)現(xiàn)FTO可以限制小鼠海馬依賴性記憶的能力，實(shí)驗(yàn)中通過降低小鼠海馬背側(cè)的FTO水平，發(fā)現(xiàn)小鼠的情景恐懼記憶得到增強(qiáng)。Engel M等[8]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，敲除小鼠前額葉皮層中的FTO后，神經(jīng)元中恐懼相關(guān)基因上的m6A修飾程度明顯增加，小鼠恐懼記憶效果得到增強(qiáng)。

ALKBH5可通過調(diào)控mRNA去甲基化水平影響甲醛的代謝，進(jìn)而影響學(xué)習(xí)記憶認(rèn)知功能的變化。ALKBH5可以使m6A去甲基化，在調(diào)控mRNA表達(dá)的同時，產(chǎn)生甲醛分子[13]。而甲醛代謝紊亂影響著學(xué)習(xí)記憶認(rèn)知功能的變化，相關(guān)研究[14,15]表明，神經(jīng)退行性疾病引起的認(rèn)知功能下降，與內(nèi)源性甲醛代謝紊亂有關(guān)；對小鼠進(jìn)行甲醛腹腔注射，也可導(dǎo)致其學(xué)習(xí)記憶能力的下降。因此由ALKBH5調(diào)控失常導(dǎo)致的甲醛代謝紊亂可能會使得學(xué)習(xí)記憶功能發(fā)生改變。

以上各項(xiàng)研究結(jié)果證明了mRNA m6A甲基化修飾及其相關(guān)酶類在學(xué)習(xí)記憶的過程中具有重要作用，因此通過對其具體機(jī)制的進(jìn)一步研究，可為學(xué)習(xí)記憶障礙的預(yù)防和相關(guān)藥物的研發(fā)、治療提供一定的方向和理論基礎(chǔ)。

2 中醫(yī)對學(xué)習(xí)記憶的認(rèn)識

傳統(tǒng)中醫(yī)理論雖未明確提出學(xué)習(xí)記憶一詞，但卻不乏學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的論述。如成書于西漢時期的《黃帝內(nèi)經(jīng)》中記載：“腸胃實(shí)而心肺虛，虛則營衛(wèi)留于下，久之不以時上，故善忘也”“血并于下，氣并于上，亂而喜忘”“腎盛怒而不止則傷志，志傷則喜忘其前言”?？梢姶藭r對于學(xué)習(xí)記憶功能的認(rèn)識主要與心、肺、腎、營衛(wèi)氣血以及情志的變化有關(guān)，心肺不足、氣血運(yùn)行失常、情志的異常變化常會導(dǎo)致人善忘或喜忘。西漢直至唐代，醫(yī)家們對于學(xué)習(xí)記憶的認(rèn)識仍以心、腎以及氣血運(yùn)行失常為主。如張仲景在《傷寒論》中寫道：“本有久瘀血，故令喜忘”。王叔和《脈經(jīng)》中載：“左手關(guān)后尺中陰實(shí)者，腎實(shí)也，苦恍惚，健忘”。巢元方則在其著作《諸病源候論》中載有“多忘者，心虛也”的理論。宋金元時期，醫(yī)家們在前人認(rèn)識的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，認(rèn)為心脾不足、痰濁蒙竅亦會導(dǎo)致記憶力的改變。如《丹溪心法》中載：“健忘精神短少者多，亦有痰者”。嚴(yán)用和在《濟(jì)生方》中指出：“蓋脾主意與思，心亦主思，思慮過度，意舍不精，神宮不職，使人健忘”。至明清時期，醫(yī)家們總結(jié)前人理論，并結(jié)合自身臨床經(jīng)驗(yàn)，明確了學(xué)習(xí)記憶功能與心、腎、腦的緊密聯(lián)系性。心腎不相交，或腎精不足，腦髓失養(yǎng)均會影響到學(xué)習(xí)記憶的能力，而最重要的是此時期對于腦與記憶的關(guān)系認(rèn)識與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究達(dá)成了一致。如金正希在《尚志堂文集》中寫道：“小兒善忘者，腦未滿也。老人健忘者，腦漸空也”。《類證治裁》載：“而腦為元神之府，精髓之海，實(shí)記性所憑也”。陳士鐸于《辨證錄》中指出：“夫心腎交而智慧生……腎水資于心，則智慧生生不息；心火資于腎，則智慧亦生生無窮”。唐宗?！吨形鲄R通醫(yī)經(jīng)精義》亦云：“蓋髓者，腎精所生……精不足者智不多”。王清任在《醫(yī)林改錯》中指出：“高年無記性者，腦髓漸空”。因此，綜上所述，古代中醫(yī)學(xué)關(guān)于學(xué)習(xí)記憶功能的認(rèn)識主要與心、脾、腎、腦等臟腑的功能和氣血津液以及情志因素有關(guān)。如果心脾功能失常，則會出現(xiàn)“意舍不清，心神不寧”；腎虛精虧、腦髓不足則腦竅失養(yǎng)；腎水不上交于心火，心火不能下達(dá)于腎水，則心腎不交；氣血津液運(yùn)行失常，形成痰濁、瘀血，則心竅腦竅被蒙；思慮、盛怒過度，則氣血逆亂，以上均可使得學(xué)習(xí)記憶功能發(fā)生改變。

在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)代中醫(yī)學(xué)者對學(xué)習(xí)記憶有了進(jìn)一步的闡述。如侯小兵等[16]在五神臟理論的基礎(chǔ)上，提出了學(xué)習(xí)記憶與五臟及其所藏五神、所主五志有關(guān)，學(xué)習(xí)記憶依賴于心、肝、脾、肺、腎五臟的共同參與而完成，學(xué)習(xí)記憶的下降的原因主要有腎精虧虛、髓海不足、清陽不升、五神失用等。另外王婷婷等[17]在分析血的功能及其與五臟、五神、五志關(guān)系的基礎(chǔ)上，認(rèn)為學(xué)習(xí)記憶能力與血有重要關(guān)聯(lián)，血虛、血瘀則神失所養(yǎng)，出現(xiàn)學(xué)習(xí)記憶功能的障礙。而這些觀點(diǎn)也進(jìn)一步地豐富了中醫(yī)學(xué)對學(xué)習(xí)記憶功能的認(rèn)識。

3 中醫(yī)與 mRNA m6A修飾的關(guān)系

中醫(yī)學(xué)與mRNA m6A修飾對人體生理、病理的認(rèn)識都存在著人體與環(huán)境相合的“整體觀念”?！疤烊撕弦弧钡恼w觀念是中醫(yī)學(xué)的特色，《黃帝內(nèi)經(jīng)》云：“人與天地相參也，與日月相應(yīng)也”“人以天地之氣生，四時之法成”“夫百病之所始生者，必起于燥濕寒暑風(fēng)雨，陰陽喜怒，飲食居處”。即中醫(yī)認(rèn)為人與外界的環(huán)境密切相關(guān)，與自然界具有統(tǒng)一性，人體隨著外界的環(huán)境變化而隨之產(chǎn)生一定的變化，而異常的外界環(huán)境往往會導(dǎo)致疾病的產(chǎn)生。同樣，mRNA m6A修飾的變化也會受到外界環(huán)境的影響，進(jìn)而影響人體。而略有不同的是，中醫(yī)從宏觀上講，外界環(huán)境的變化影響人體的改變主要表現(xiàn)在臟腑、經(jīng)絡(luò)、氣血等功能的失調(diào)，這也是中醫(yī)認(rèn)為疾病的病因病機(jī)所在；mRNA m6A修飾則是微觀上的認(rèn)識，在異常、極端的外界環(huán)境影響下，會使得在mRNA轉(zhuǎn)錄后水平上進(jìn)行的m6A修飾發(fā)生變化，通過甲基化酶、去甲基化酶、結(jié)合蛋白等物質(zhì)調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)和蛋白的形成。如乳腺癌腫瘤細(xì)胞在低氧環(huán)境中ALKBH5高表達(dá)，導(dǎo)致腫瘤干細(xì)胞的部分基因發(fā)生去甲基化，這一過程增加了mRNA的穩(wěn)定性和表達(dá)水平，進(jìn)而使得癌細(xì)胞的增殖速度變快[18]。

在遺傳、生殖與先天生長發(fā)育方面，中醫(yī)認(rèn)為腎為先天之本，“腎藏精，主生殖”，與遺傳有著緊密的聯(lián)系?！饵S帝內(nèi)經(jīng)》云：“腎者主蟄，封藏之本，精之處也”“兩神相搏，合而成形，常先身生，是謂精”。腎所藏為先天之精，它們秉受于父母，與生俱來，是構(gòu)成人體、促進(jìn)生殖發(fā)育的原始遺傳物質(zhì)。王米渠[19]研究發(fā)現(xiàn)，“恐”傷母鼠腎氣，其子代會出現(xiàn)異常的遺傳行為表征，這也進(jìn)一步證明了腎藏精，主生殖，為先天之本，具有可遺傳性。而mRNA m6A修飾可以對基因的轉(zhuǎn)錄后表達(dá)水平產(chǎn)生調(diào)控作用，形成基因表型的可遺傳變化。同時mRNA m6A修飾同樣與生殖、生長發(fā)育有著密切的關(guān)系，有研究[20-23]表明，敲除ALKBH5會導(dǎo)致老鼠睪丸萎縮，精子形成受損，m6A修飾過程中的ALKBH5、YTHDC2、METTL3和METTL4等修飾蛋白具有調(diào)控精子的形成和發(fā)育等重要生理功能。而這恰好說明m6A修飾關(guān)于生物的遺傳、生殖與發(fā)育過程方面，與中醫(yī)學(xué)“腎藏精，主生殖”影響人的生殖與先天發(fā)育的理論有著一定的關(guān)聯(lián)性。

在遺傳與生殖發(fā)育的基礎(chǔ)上，中醫(yī)學(xué)理論與mRNA m6A修飾又存在著相似的“可逆性”。如在中醫(yī)體質(zhì)學(xué)說中認(rèn)為體質(zhì)是在先天遺傳的基礎(chǔ)上形成，具有一定的穩(wěn)定性，但是這種穩(wěn)定性是相對的，會隨著后天的影響而產(chǎn)生變化，所以體質(zhì)又具有動態(tài)的可變性這一特點(diǎn)，在先天的基礎(chǔ)上又可發(fā)生后天的改變[24]。而在mRNA m6A修飾中，去甲基化酶FTO可以去除mRNA 上 的m6A 修飾，即已經(jīng)發(fā)生m6A修飾的堿基，受到FTO的影響之后又可發(fā)生去甲基化，使得mRNA甲基化成為一種可逆的反應(yīng)[25]。因此，mRNA m6A修飾與中醫(yī)體質(zhì)學(xué)說均具有一種相似的動態(tài)可逆性。

4 結(jié)語

由前文可以知道，五臟、氣血精津液、情志等因素均可影響到學(xué)習(xí)記憶。然而對于學(xué)習(xí)記憶的理解與認(rèn)識，僅從傳統(tǒng)中醫(yī)五臟、五神、五志這些宏觀理論層面是不夠的，還需要對這一過程中所蘊(yùn)含中醫(yī)理論的具體機(jī)制等內(nèi)容進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的探究，即從微觀層面探討，五臟、五神、五志等因素與學(xué)習(xí)記憶之間具有怎樣的關(guān)系。目前尚未見到mRNA m6A修飾層面的研究報道，但已有的m6A修飾與大腦、學(xué)習(xí)記憶的相關(guān)性研究，以及m6A修飾與中醫(yī)學(xué)理論具有的相似之處能夠在一定程度上為進(jìn)行該方面的研究提供思路和橋梁?；趍RNA m6A修飾與中醫(yī)學(xué)理論之間的關(guān)聯(lián)性和相似性，未來有望從m6A修飾層面對中醫(yī)學(xué)理論進(jìn)行深入的研究，針對學(xué)習(xí)記憶等相關(guān)疾病的病因、病機(jī)、證候類型特點(diǎn)及藥用治療等方面，進(jìn)一步從微觀層面揭示其具體機(jī)制，為中醫(yī)學(xué)診斷和治療相關(guān)疾病提供客觀的科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而促進(jìn)中醫(yī)學(xué)的現(xiàn)代化。同時，對于目前mRNA m6A修飾研究中所存在的問題，亦可從中醫(yī)學(xué)理論中尋求思路?？傊?，通過將mRNA m6A修飾與中醫(yī)學(xué)研究有機(jī)結(jié)合，一方面有利于為中醫(yī)學(xué)的應(yīng)用闡明機(jī)制并提供科學(xué)依據(jù)，另一方面可以促進(jìn)表觀遺傳學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。