學習記憶與表觀遺傳學

馬 慧 李樹民 (內蒙古醫科大學藥學院，內蒙古 呼和浩特 010059)

學習和記憶是不同而又密切聯系的神經生物學活動，學習是獲得新知識的過程，而記憶是將學到的知識加以保留的過程。學習和記憶是大腦的重要功能之一，有著十分復雜的生物學機制。學習記憶的分子生物學調控機制大致可分為增強學習記憶的正調控機制和抑制學習記憶形成的負調控機制兩大類〔1〕。近年來，學習記憶的調控機制又有了新的突破，即表觀遺傳修飾。隨著表觀遺傳學研究的不斷深入及方法日趨成熟，表觀遺傳學與學習記憶之間的密切關系已引起廣泛關注。

1 表觀遺傳學

1.1 表觀遺傳學簡介 表觀遺傳學(epigenetics)是傳統遺傳學的分支，由英國科學家Waddington〔2〕最早提出，其涵義為在DNA序列不發生改變的情況下，基因的表達與功能發生改變，并產生可遺傳的表型。表觀遺傳學是經典遺傳學的補充與進一步的發展，涉及何時、何地以何種方式去應用遺傳學信息的概念〔3〕。表觀遺傳學的問世，大大豐富了傳統遺傳學的內容，使我們認識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信息。人體及細胞正常功能的維持是這兩種信息互相作用、保持平衡的結果，如果這兩種因素的任何一種表達失衡，都有可能導致疾病的發生。因此，表觀遺傳學研究是生命科學中一個普遍而又極其重要的新的研究領域，它不僅對基因的表達、調控、遺傳有重要作用〔2，3〕，而且在生命發育〔4〕、腫瘤發生〔5，6〕、炎癥〔7～9〕、衰老及再生醫學〔10，11〕、免疫〔12〕、血管新生〔13〕、變性性疾病的發生與防治中起著極其重要的作用〔10～11〕。

1.2 表觀遺傳學的主要調節機制 目前，表觀遺傳學的主要調節機制有:DNA 甲基化〔14〕，組蛋白修飾〔15〕，染色質重塑及非編碼RNA等幾種調節機制〔16〕。

1.2.1 DNA甲基化 DNA甲基化是由DNA甲基轉移酶催化S腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，將胞嘧啶轉化為5-甲基胞嘧啶的反應。CG二核苷酸是最主要的甲基化位點，人類的CpG以兩種形式存在，一是分散于DNA中，另一種是CpG結構高度聚集的CpG島。正常組織中分散于DNA中的CpG 70%～90%的位點通常是甲基化的，而位于基因啟動子區的健康人基因組中CpG島處于非甲基化的狀態，CpG島的甲基化可直接導致相關基因的沉默。DNA甲基化一般與基因沉默有關，而去甲基化與基因活化有關。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型，從而影響轉錄因子的轉錄，而影響該基因的表達。

1.2.2 組蛋白修飾 組蛋白是染色質基本結構-核小體中的重要組成部分，它能發生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化等不同類型的共價修飾，引起染色質結構改變和基因轉錄活性變化。其中，乙酰化是最早發現且研究最為深入的組蛋白修飾方式。組蛋白乙酰化在組蛋白乙酰基轉移酶(HATs)和組蛋白去乙酰化酶(HDACs)的調節作用下處于動態平衡狀態。組蛋白經乙酰化修飾能使染色質結構變得松散、轉錄因子更易于與基因啟動子區相互結合并促進基因轉錄和表達。因此，HATs能夠促進基因的轉錄，相反，HDACs能夠誘導染色質固縮和基因沉默。

1.2.3 染色質重塑 染色質位置和結構的變化稱為染色質重塑(remodeling)。核小體連接處密集的染色質絲發生松解時，染色質解壓縮，與基因轉錄有關的啟動子區中的順式作用元件被暴露，這種狀態有利于轉錄因子與之結合。研究表明，主要由兩類結構介導染色體重塑:一類是ATP依賴型核小體重塑復合體，通過水解作用改變核小體構型;另一類是組蛋白修飾復合體，主要通過對核心組蛋白N端尾部的共價修飾進行催化。

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模式，在核糖核蛋白復合物中充當催化中心，對染色質結構的改變發揮著重要的作用。短鏈RNA(又稱小RNA)在基因組水平對基因表達進行調控，其可介導mRNA的降解，誘導染色質結構的改變，決定著細胞的分化命運，還對外源的核酸序列有降解作用以保護本身的基因組。而常見的短鏈RNA為小干涉 RNA(short interfering RNA，siRNA)和微小 RNA(microRNA，miRNA)〔17〕。

2 學習記憶中的表觀遺傳學機制

2.1 DNA甲基化修飾 根據記憶儲存時間長短的不同，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甲基化轉移酶DNMT的活性與長期記憶和LTP有關。而DNMT抑制劑5-AZA或zebularin可以逆轉甲基化并使記憶抑制基因PP1表達下調，從而阻礙了恐懼記憶的形成〔18〕。有趣的是，海馬內的DNA甲基化水平在24 h內又回到了基礎水平，而此時恐懼記憶仍然保持了下來。這表明在海馬區，DNA甲基化可能不是一個維持記憶的機制，而是一種基因瞬時表達的調控機制。不只是恐懼記憶，可卡因介導的條件性記憶形成也需要海馬內的基因甲基化水平改變〔20〕。

有研究發現，在出生后的Emx1小鼠前腦背部的興奮性神經元中如果進行DNMT1和DNMT3a的雙敲除，細胞體積會減小，同時LTP受損，LTD加強，空間記憶和恐懼記憶的形成能力受損，然而只敲除DNMT1或DNMT3a都不會有以上的異常現象發生〔21〕。此外還發現，雙敲小鼠前腦中免疫相關基因表達水平上升，甲基化水平下降。尤其是參與神經可塑性和干擾素調節途徑的蛋白Stat1，在神經元中表現出mRNA水平的上升和甲基化水平的下降。這些結果表明，DNA甲基化可能通過影響突觸相關蛋白的表達來調控突觸可塑性和記憶，而DNMT1和DNMT3a在興奮性神經元中可能具有互補的作用。

條件性恐懼記憶的形成最初依賴于海馬，但經歷了約3 w的鞏固時間后，記憶開始依賴于前額葉皮質，包括前扣帶回，并獨立于海馬〔22〕。為了研究記憶的維持是否確實需要DNA甲基化參與，Miller等〔23〕開始著眼于前扣帶回而非海馬區。在經歷了恐懼環境后，鈣調磷酸酶(CaN)基因的高甲基化水平維持了至少30 d，相應的，其mRNA和蛋白水平的下降也維持了至少1個月。當訓練29 d后，將DNMT抑制劑注射入前扣帶回發現，CaN表達水平下降和記憶保持的現象均被破壞，此結果說明前扣帶回中DNA甲基化和去甲基化處于動態平衡的狀態，且為記憶維持所必需。

2.2 組蛋白修飾與染色質重塑 LTP參與了突觸可塑性的形成，在學習記憶中起著重要作用。LTP經誘導后，細胞內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結合進入細胞核，使cAMP反應元件結合蛋白(CREB)磷酸化，調控基因的轉錄和新的蛋白質合成。Levenson等〔24〕證明海馬CA1區組蛋白H3的乙酰化受恐懼刺激的調節，該效應依賴于NMDA受體和ERK信號轉導通路，抑制ERK信號轉導通路可以阻斷H3乙酰化作用。結果表明，染色質構型重塑參與了長時程記憶的形成以及海馬LTP。

CREB結合蛋白(CBP)缺失，導致大鼠在空間位置、條件性恐懼記憶以及新事物認知實驗測試中表現記憶缺失，給予HDAC抑制劑處理后，又可形成正常的長時程記憶，而且還可以增強正常大鼠的記憶〔24，25〕，進一步證明染色質構型重塑在學習和記憶過程中具有重要作用。激活蛋白激酶途徑可以導致記憶的形成，恐懼條件下細胞外信號調節蛋白激酶途徑被激活，增加了海馬CA1區的組蛋白H3磷酸乙酰化，導致了記憶的形成。在上述的學習和記憶模型中并沒有觀察到組蛋白H4乙酰化——另一個引起染色質激活的標志，表明組蛋白H3乙酰化標記了一個慢性的穩定的事件，而H4乙酰化標記了一個比較急性的動態改變。而破壞乙酰化酶，會降低大鼠在新事物認知、水迷宮中的空間記憶及對恐懼環境感知測試中多種形式的學習和記憶能力〔25〕。相反地，通過化學抑制劑阻斷去乙酰化酶類可提高學習和記憶行為的測試水平。這些研究共同表明依賴于神經傳遞的活動如經驗等使組蛋白乙酰化，是學習和記憶的必需條件。

2.3 非編碼RNA 對果蠅的研究已經表明，miRNAs可以作用于許多神經轉錄因子，在神經系統中參與細胞命運的決定、神經連接、細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行學習并適應周圍的環境。哺乳動物樹突蛋白的局部合成對于突觸可塑性是必要的，而這些是學習和記憶的分子基礎〔27〕。與突觸蛋白的合成有關基因都是miRNAs的潛在靶基因，miRNAs可以根據突觸活性的改變來調控局部翻譯，進而調控突觸的生長和強度〔28〕。

最近的一項研究表明，miR-134可以影響大腦細胞之間建立突觸連接，并因此而影響生物的學習記憶能力。在這項研究中研究人員利用大鼠證明了miR-134可以調控樹突棘的大小，當神經細胞在miR-134存在的情況下樹突數量會減少，從而減弱突觸的形成。當miR-134被抑制后，樹突數量就會增加，突觸的連接也因此加強〔29〕。進一步的實驗研究表明:miR-134可以起到抑制Limk1基因表達的作用，這個基因是促進樹突形成的。還有報道顯示，當成年小鼠前腦Dicer1基因(參與miRNA的加工和miRNA:RISC的裝配)敲除后，小鼠表現為全體腦特異性miRNA進行性缺失、學習和記憶能力增強、神經元樹突棘呈增長的絲狀偽足樣外觀，并且BDNF、MMP-9等突觸可塑性相關蛋白的表達量明顯增多〔30〕，這也表明在哺乳動物中miRNA在學習和記憶過程中也發揮著關鍵的作用。

1 湯 洋.學習記憶的分子生物學機制研究進展〔J〕.南昌大學學報(醫學版)，2010;50(3):116-8.

2 Waddington CH.The epigenotype〔J〕.Endeavour，1942;1(1):18-20.

3 Bonasio R，Tu S，Reinberg D.Molecular signals of epigenetic states〔J〕.Science，2010;330(6004):612-6.

4 Miyanari Y，Torres-Padilla ME.Epigenetic regulation of reprogrammingfactors towards pluripotency in mouse preimplantation development〔J〕.Curr Opin Endocrinol Diabet Obes，2010;17(6):500-6.

5 Costa FF.Epigenomics in cancer management〔J〕.Cancer Manag Res，2010;2:255-65.

6 Dalgliesh GL，Furge K，Greenman C，et al.Systematic sequencing of renal carcinoma reveals inactivation of histone modifying genes〔J〕.Nature，2010;463(7279):360-3.

7 Huber LC，Stanczyk J，Jungel A，et al.Epigenetics in inflammatory rheumatie diseases〔J〕.Arthfit Rheum，2007;56(11):3523-31.

8 Ospelt C，Reedquist KA，Gay S，et al.Inflammatory memories:Isepigenetics the missing link to persistent stromal cell activation in rheumatoid arthritis〔J〕.Autoimmun Rev，2011;10(9):519-24.

9 Bayarsaihan D.Epigenetic mechanisms in inflammation〔J〕.J Dent Res，2011;90(1):9-17.

10 Rodriguez RS，Fernandez-M JL.Fernandez AF，et al.Epigenetie regulation of aging〔J〕.Discov Med，2010;10:225-33.

11 Brunmeir R，Lagger S，Seiser C.Histone deacetylase HDAC1/HDAC2-controlled embryonic development and cell differentiation〔J〕.Int Dev Biol，2009;53(2-3):275-89.

12 Fernandez-Morera JL，Calvanese V，Rodflguez-Rodero S，et al.Epigenetic regulation of the immune system in health and disease〔J〕.Tissue Antigens，2010;76:431-9.

13 Chen S，Sang N.Histone deacetylase inhibitors:the epigenetic therapeutics that repress hypoxia-inducible factors〔J〕.J Biomed Biotechnol，2011;2(3):243-7.

14 Iyer LM，Abhiman S，Aravind L.Natural history of eukaryotic DNA methylation systems〔J〕.Prog Mol Biol Transl Sci，2011;101:25-104.

15 Hassig CA，Schreiber SL.Nuclear histone acetylases and deacetylases and transcriptional regulation:HATs off to HDACs〔J〕.Curt Opin Chem Biol，1997;1(3):300-8.

16 Suh N，Blelloch R.Small RNAs in early mammalian development:from gametes to gastrolation〔J〕.Development，2011;138(9):1653-61.

17 孫永健，陳小強，陳 寧.表觀遺傳學的分子機制及其研究進展〔J〕. 安徽農業科學，2008;36(33):14450-2，14510.

18 Miller CA，Sweatt JD.Covalent modification of DNA regulates memory formation〔J〕.Neuron，2007;53(6):857-69.

19 Levenson JM，Roth TL，Lubin FD，et al.Evidence that DNA(cytosine-5)methyltransferase regulates synaptic plasticity in the hippocampus〔J〕.J Biol Chem，2006;281(23):15763-73.

20 Han J，Li Y，Wang D，et al.Effect of 5-aza-2-deoxycytidine microinjecting into hippocampus and prelimbic cortex on acquisition and retrieval of cocaine-induced place preference in C57BL/6 mice〔J〕.Eur J Pharmacol，2010;642(1/3):93-8.

21 Feng J，Zhou Y，Campbell SL，et al.Dnmt1 and Dnmt3a maintain DNA methylation and regulate synaptic function in adult forebrain neurons〔J〕.Nat Neurosci，2010;13(4):423-30.

22 Frankland PW，Bontempi B，Talton LE，et al.The involvement of the anterior cingulated cortex in remote contextual fear memory〔J〕.Science，2004;304(5672):881-3.

23 Miller CA，Gavin CF，White JA，et al.Cortical DNA methylation maintains memory〔J〕.Nat Neurosci，2010;13(6):664-6.

24 Levenson JM，Oriordan KJ，Brown KD，et al.Regulation of histone acetylation during memory formation in the hippocampus〔J〕.J Biol Chem，2004;279(39):40545-59.

25 Levenson JM，Sweatt JD.Epigenetic mechanisms in memory formation〔J〕.Nature Rev Neurosci，2005;6(2):108-18.

26 Enright AJ，John B，Gaul U，et al.Micro-RNA targets in Drosophila〔J〕.Genome Biol，2003;5(1):R1.

27 Sutton MA，Schuman EM.Local translational control in dendrites and its role in long-term synaptic plasticity〔J〕.J Neurobiol，2005;64(1):116-31.

28 Klein ME，Impey S，Goodman RH.Role reversal:the regulation of neuronal gene expression by microRNAs〔J〕.Curr Opin Neurobiol，2005;15:507-13.

29 Schratt GM，Tuebing F.A brain-specific microRNA regulates dendriticspine development〔J〕.Nature，2006;439(7074):283-9.

30 Konopka W，Kiryk A，Novak M，et al.MicroRNA loss enhances learning and memory in mice〔J〕.J Neurosci，2010;30(44):14835-42.