学习记忆与表观遗传学

马 慧 李树民 (内蒙古医科大学药学院，内蒙古 呼和浩特 010059)

学习和记忆是不同而又密切联系的神经生物学活动，学习是获得新知识的过程，而记忆是将学到的知识加以保留的过程。学习和记忆是大脑的重要功能之一，有着十分复杂的生物学机制。学习记忆的分子生物学调控机制大致可分为增强学习记忆的正调控机制和抑制学习记忆形成的负调控机制两大类〔1〕。近年来，学习记忆的调控机制又有了新的突破，即表观遗传修饰。随着表观遗传学研究的不断深入及方法日趋成熟，表观遗传学与学习记忆之间的密切关系已引起广泛关注。

1 表观遗传学

1.1 表观遗传学简介 表观遗传学(epigenetics)是传统遗传学的分支，由英国科学家Waddington〔2〕最早提出，其涵义为在DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达与功能发生改变，并产生可遗传的表型。表观遗传学是经典遗传学的补充与进一步的发展，涉及何时、何地以何种方式去应用遗传学信息的概念〔3〕。表观遗传学的问世，大大丰富了传统遗传学的内容，使我们认识到基因组包括两类遗传信息:即DNA序列遗传信息及表观遗传学信息。人体及细胞正常功能的维持是这两种信息互相作用、保持平衡的结果，如果这两种因素的任何一种表达失衡，都有可能导致疾病的发生。因此，表观遗传学研究是生命科学中一个普遍而又极其重要的新的研究领域，它不仅对基因的表达、调控、遗传有重要作用〔2，3〕，而且在生命发育〔4〕、肿瘤发生〔5，6〕、炎症〔7～9〕、衰老及再生医学〔10，11〕、免疫〔12〕、血管新生〔13〕、变性性疾病的发生与防治中起着极其重要的作用〔10～11〕。

1.2 表观遗传学的主要调节机制 目前，表观遗传学的主要调节机制有:DNA 甲基化〔14〕，组蛋白修饰〔15〕，染色质重塑及非编码RNA等几种调节机制〔16〕。

1.2.1 DNA甲基化 DNA甲基化是由DNA甲基转移酶催化S腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，将胞嘧啶转化为5-甲基胞嘧啶的反应。CG二核苷酸是最主要的甲基化位点，人类的CpG以两种形式存在，一是分散于DNA中，另一种是CpG结构高度聚集的CpG岛。正常组织中分散于DNA中的CpG 70%～90%的位点通常是甲基化的，而位于基因启动子区的健康人基因组中CpG岛处于非甲基化的状态，CpG岛的甲基化可直接导致相关基因的沉默。DNA甲基化一般与基因沉默有关，而去甲基化与基因活化有关。甲基化与去甲基化可由不同的酶来催化。甲基化能改变基因的构型，从而影响转录因子的转录，而影响该基因的表达。

1.2.2 组蛋白修饰 组蛋白是染色质基本结构-核小体中的重要组成部分，它能发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化等不同类型的共价修饰，引起染色质结构改变和基因转录活性变化。其中，乙酰化是最早发现且研究最为深入的组蛋白修饰方式。组蛋白乙酰化在组蛋白乙酰基转移酶(HATs)和组蛋白去乙酰化酶(HDACs)的调节作用下处于动态平衡状态。组蛋白经乙酰化修饰能使染色质结构变得松散、转录因子更易于与基因启动子区相互结合并促进基因转录和表达。因此，HATs能够促进基因的转录，相反，HDACs能够诱导染色质固缩和基因沉默。

1.2.3 染色质重塑 染色质位置和结构的变化称为染色质重塑(remodeling)。核小体连接处密集的染色质丝发生松解时，染色质解压缩，与基因转录有关的启动子区中的顺式作用元件被暴露，这种状态有利于转录因子与之结合。研究表明，主要由两类结构介导染色体重塑:一类是ATP依赖型核小体重塑复合体，通过水解作用改变核小体构型;另一类是组蛋白修饰复合体，主要通过对核心组蛋白N端尾部的共价修饰进行催化。

1.2.4 非编码RNA 非编码RNA包括长链非编码RNA和短链非编码RNA。长链非编码RNA常在基因组中建立单等位基因表达模式，在核糖核蛋白复合物中充当催化中心，对染色质结构的改变发挥着重要的作用。短链RNA(又称小RNA)在基因组水平对基因表达进行调控，其可介导mRNA的降解，诱导染色质结构的改变，决定着细胞的分化命运，还对外源的核酸序列有降解作用以保护本身的基因组。而常见的短链RNA为小干涉 RNA(short interfering RNA，siRNA)和微小 RNA(microRNA，miRNA)〔17〕。

2 学习记忆中的表观遗传学机制

2.1 DNA甲基化修饰 根据记忆储存时间长短的不同，可分为短期记忆(short-term memory，STM)和长期记忆(long-term memory，LTM)。Miller等〔18，19〕首先提出 DNA 甲基化可能在长期记忆形成过程中起着关键作用的假说，他们通过条件性恐惧记忆研究表明DNA甲基化转移酶DNMT的活性与长期记忆和LTP有关。而DNMT抑制剂5-AZA或zebularin可以逆转甲基化并使记忆抑制基因PP1表达下调，从而阻碍了恐惧记忆的形成〔18〕。有趣的是，海马内的DNA甲基化水平在24 h内又回到了基础水平，而此时恐惧记忆仍然保持了下来。这表明在海马区，DNA甲基化可能不是一个维持记忆的机制，而是一种基因瞬时表达的调控机制。不只是恐惧记忆，可卡因介导的条件性记忆形成也需要海马内的基因甲基化水平改变〔20〕。

有研究发现，在出生后的Emx1小鼠前脑背部的兴奋性神经元中如果进行DNMT1和DNMT3a的双敲除，细胞体积会减小，同时LTP受损，LTD加强，空间记忆和恐惧记忆的形成能力受损，然而只敲除DNMT1或DNMT3a都不会有以上的异常现象发生〔21〕。此外还发现，双敲小鼠前脑中免疫相关基因表达水平上升，甲基化水平下降。尤其是参与神经可塑性和干扰素调节途径的蛋白Stat1，在神经元中表现出mRNA水平的上升和甲基化水平的下降。这些结果表明，DNA甲基化可能通过影响突触相关蛋白的表达来调控突触可塑性和记忆，而DNMT1和DNMT3a在兴奋性神经元中可能具有互补的作用。

条件性恐惧记忆的形成最初依赖于海马，但经历了约3 w的巩固时间后，记忆开始依赖于前额叶皮质，包括前扣带回，并独立于海马〔22〕。为了研究记忆的维持是否确实需要DNA甲基化参与，Miller等〔23〕开始着眼于前扣带回而非海马区。在经历了恐惧环境后，钙调磷酸酶(CaN)基因的高甲基化水平维持了至少30 d，相应的，其mRNA和蛋白水平的下降也维持了至少1个月。当训练29 d后，将DNMT抑制剂注射入前扣带回发现，CaN表达水平下降和记忆保持的现象均被破坏，此结果说明前扣带回中DNA甲基化和去甲基化处于动态平衡的状态，且为记忆维持所必需。

2.2 组蛋白修饰与染色质重塑 LTP参与了突触可塑性的形成，在学习记忆中起着重要作用。LTP经诱导后，细胞内Ca2+激活各种蛋白激酶，这些蛋白激酶包括CaM依赖蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)、蛋白激酶C(PKC)和蛋白激酶A(PKA)，后者与cAMP结合进入细胞核，使cAMP反应元件结合蛋白(CREB)磷酸化，调控基因的转录和新的蛋白质合成。Levenson等〔24〕证明海马CA1区组蛋白H3的乙酰化受恐惧刺激的调节，该效应依赖于NMDA受体和ERK信号转导通路，抑制ERK信号转导通路可以阻断H3乙酰化作用。结果表明，染色质构型重塑参与了长时程记忆的形成以及海马LTP。

CREB结合蛋白(CBP)缺失，导致大鼠在空间位置、条件性恐惧记忆以及新事物认知实验测试中表现记忆缺失，给予HDAC抑制剂处理后，又可形成正常的长时程记忆，而且还可以增强正常大鼠的记忆〔24，25〕，进一步证明染色质构型重塑在学习和记忆过程中具有重要作用。激活蛋白激酶途径可以导致记忆的形成，恐惧条件下细胞外信号调节蛋白激酶途径被激活，增加了海马CA1区的组蛋白H3磷酸乙酰化，导致了记忆的形成。在上述的学习和记忆模型中并没有观察到组蛋白H4乙酰化——另一个引起染色质激活的标志，表明组蛋白H3乙酰化标记了一个慢性的稳定的事件，而H4乙酰化标记了一个比较急性的动态改变。而破坏乙酰化酶，会降低大鼠在新事物认知、水迷宫中的空间记忆及对恐惧环境感知测试中多种形式的学习和记忆能力〔25〕。相反地，通过化学抑制剂阻断去乙酰化酶类可提高学习和记忆行为的测试水平。这些研究共同表明依赖于神经传递的活动如经验等使组蛋白乙酰化，是学习和记忆的必需条件。

2.3 非编码RNA 对果蝇的研究已经表明，miRNAs可以作用于许多神经转录因子，在神经系统中参与细胞命运的决定、神经连接、细胞形状和黏附以及突触的功能〔26〕，大脑可以形成新的突触或者重新形成突触，加强重要的突触链接，形成新的连接，减弱不重要的连接，依赖这种方式生物可以进行学习并适应周围的环境。哺乳动物树突蛋白的局部合成对于突触可塑性是必要的，而这些是学习和记忆的分子基础〔27〕。与突触蛋白的合成有关基因都是miRNAs的潜在靶基因，miRNAs可以根据突触活性的改变来调控局部翻译，进而调控突触的生长和强度〔28〕。

最近的一项研究表明，miR-134可以影响大脑细胞之间建立突触连接，并因此而影响生物的学习记忆能力。在这项研究中研究人员利用大鼠证明了miR-134可以调控树突棘的大小，当神经细胞在miR-134存在的情况下树突数量会减少，从而减弱突触的形成。当miR-134被抑制后，树突数量就会增加，突触的连接也因此加强〔29〕。进一步的实验研究表明:miR-134可以起到抑制Limk1基因表达的作用，这个基因是促进树突形成的。还有报道显示，当成年小鼠前脑Dicer1基因(参与miRNA的加工和miRNA:RISC的装配)敲除后，小鼠表现为全体脑特异性miRNA进行性缺失、学习和记忆能力增强、神经元树突棘呈增长的丝状伪足样外观，并且BDNF、MMP-9等突触可塑性相关蛋白的表达量明显增多〔30〕，这也表明在哺乳动物中miRNA在学习和记忆过程中也发挥着关键的作用。

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