7月13日，上?？萍即髮W生命科學與技術學院管吉松組在《自然-通訊》（Nature Communications）在線發表題為“Kdm4a is an activity downregulated barrier to generate engrams for memory separation ”的研究論文，首次在體內用無偏差的敲除篩選來鑒定影響記憶印跡形成的表觀遺傳學基因。研究揭示了大腦中記憶印跡細胞招募的表觀遺傳學調節因子Kdm4a及其參與腦內記憶信息分配存儲的功能，并為體內研究記憶相關細胞的分子機制提供了新的策略。
記憶印跡（memory engram）是學習過程中被激活的一群神經元，對記憶的形成、鞏固、提取和分離至關重要。盡管學習后記憶印跡的轉錄組分析表明，神經元在記憶形成和可塑性方面發生了深刻變化，但對于記憶印跡是如何被選擇和分配的機制仍然知之甚少。在記憶的編碼階段，被激活神經元細胞核發生顯著的轉錄變化以及染色質結構的改變，這種活動依賴的染色質重塑主要由細胞核內的表觀遺傳學調節因子負責調控。前期研究中發現，對記憶印跡細胞的選擇和分配起關鍵作用的唯一關鍵分子是轉錄因子CREB。大量研究圍繞神經元的CREB被激活后如何被選擇成為記憶印跡細胞展開，發現了長期記憶分配（allocation）和不同記憶分離（discrimination）的相關時間窗口。那么，長期記憶的記憶印跡細胞分配是否存在其它關鍵調節因素？有哪些重要的表觀遺傳學調節因子在記憶形成過程中，尤其是在記憶印跡細胞的招募過程中起關鍵作用？本研究針對表觀遺傳學基因設計CRISPR敲除文庫，并將敲除文庫引入及早基因報告小鼠的海馬齒狀回，來篩選抑制記憶印跡細胞招募的關鍵基因。通過無偏差的體內敲除篩選，鑒定出組蛋白賴氨酸去甲基酶Kdm4a在生理情況下負責抑制記憶印跡的招募。
圖1.記憶印跡篩調控因子篩選
本工作驗證了體內敲減Kdm4a的表達會增加神經元被招募為記憶印跡的概率。同時，抑制Kdm4a在齒狀回的表達能夠增強動物對場景記憶的分辨能力，即記憶的分離。研究還進一步發現記憶的編碼過程會造成Kdm4a的表達下降，而且這種活動依賴的表達下降特異出現在被招募的記憶印跡細胞中。
在機制上，本工作發現Kdm4a錨定在鈣通道蛋白Trpm7基因位點的外顯子區域，通過去甲基化組蛋白H3K36me3從而導致新生RNA的轉錄停滯，并在Kdm4a離開后允許Trpm7的轉錄繼續進行。此外，YTH結構域蛋白2（Ythdc2）將Kdm4a招募到Trpm7基因上，并穩定新生的RNA。Kdm4a對下游基因Trpm7轉錄的調控影響了海馬神經元的突觸形態。通過基因操作或人工激活來降低海馬體神經元中Kdm4a的表達，可以促進嚙齒類動物的記憶分離能力。這些研究表明，Kdm4a在記憶印記形成中作為一種抑制性調控因子，由神經激活產生的Kdm4a下調讓神經元進入一種預備狀態（priming state），這種狀態有助于產生單獨的記憶。
圖2：Ythdc2與Trpm7 mRNA外顯子區域的m6A位點結合的示意圖，用于招募轉錄抑制因子Kdm4a以清除組蛋白H3K36me3甲基化修飾，從而降低Trpm7基因外顯子區域的轉錄速度。
上?？萍即髮W生命學院博士后郭修賢為該論文的第一作者。上?？萍即髮W生命學院管吉松教授與上海理工大學智能科技學院謝紅教授為該論文的共同通訊作者。上?？萍即髮W為第一完成單位。研究得到了上科大倉勇教授和莊敏教授的幫助。
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