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Nature文獻解讀-mRNAm6A甲基化調(diào)控對學習記憶功能機制的影響

瀏覽次數(shù):20214 發(fā)布日期:2021-1-4  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責任自負
學習和記憶是大腦的基本功能,長時記憶的形成被認為需要神經(jīng)元活動誘導下的蛋白質(zhì)合成。以往的研究表明,m6A參與調(diào)節(jié)神經(jīng)功能,包括小鼠中腦多巴胺能信號傳導、飛蟲飛行行為、成年小鼠神經(jīng)生成和軸突再生。在大腦發(fā)育、行為體驗和記憶形成過程中觀察到m6A的上調(diào),這表明m6A的積累和大腦活動之間存在相關(guān)性。而YTHDF家族蛋白可以與mRNA上的m6A結(jié)合,從而調(diào)控mRNA的翻譯,同時前期實驗已證實YTDHF1在小鼠海馬體中高表達。因此也提示了學習和記憶過程可能會受到m6A及其結(jié)合蛋白Ythdf1翻譯效應的影響。
 
研究團隊利用CRISPR/Cas9技術(shù),培育出了Ythdf1 敲除小鼠 (Ythdf1-KO)。Morris水迷宮實驗顯示與野生型小鼠對比,Ythdf1-KO小鼠的空間記憶能力明顯降低。
 
另外通過經(jīng)典的條件恐懼測試實驗,在經(jīng)過電擊刺激的訓練之后,Ythdf1-KO小鼠在實驗間歇期(ITI)freezing的表現(xiàn)相對較少,而聽覺相關(guān)的恐懼反應(與杏仁核功能相關(guān))(即freezing)的表現(xiàn)沒有改變,由此也提示了 Ythdf1的缺失擾亂了小鼠海馬正常的空間學習記憶能力。具體實驗數(shù)據(jù)如下圖所示。
 
 
Figure 1.Impaired spatial learning and memory in Ythdf1-KO mice.
ab, Representative images of Ythdf1 immunostaining (a) and Hoechst (b) in the control and Ythdf1-KO hippocampus. DG, dentate gyrus; P30/P120, postnatal day 30/120. cd, Learning curves of control (blue) and Ythdf1-KO (red) mice in Morris water maze (MWM) tests in visible (c) and hidden (d) platform training. e, Quadrant time (%) (left) and representative swimming paths (right) of control and Ythdf1-KO mice in the MWM probe test. The red dash line represents the chance level (25%). f, Learning curves of control (blue) and Ythdf1-KO mice (red) for contextual fear conditioning (FC) in moderate (left) or strong (right) training sessions. Base, baseline; ITI, inter-trial interval. gh, Contextual fear memory assessed 24 hours (g) or 2 hours (h) after the indicated FC. P values, two-way ANOVA with two tailed t-test (relative to “Target” or between genotypes) (e), two-way repeated measures ANOVA with post hoc test (cdf), and two-tailed t-test (gh). Numbers in bars, numbers of mice. Error bars, mean ± s.e.m.
 
為了探究Ythdf1的作用機制,通過電生理實驗,研究團隊發(fā)現(xiàn)相較于對照組,Ythdf1-KO小鼠 CA1神經(jīng)元的mEPSCs的振幅和頻率顯著降低 (Fig. 2a-b)。配對脈沖比(PPRs)分析也顯示Ythdf1-KO CA1神經(jīng)元突觸前釋放概率降低((Extended Data Fig. 4a-b),),由此也證實了Ythdf1缺失造成了基礎(chǔ)突觸傳遞功能的缺陷。同時形態(tài)學染色結(jié)果顯示,Ythdf1-KO CA1神經(jīng)元降低了樹突棘密度,但并未改變棘的大小 (Extended Data Fig. 4c-d)。
 
 
Figure 2. Deficient basal transmission and plasticity in Ythdf1-KO hippocampal synapses.
a,b, Representative traces (a) and quantification of amplitude (b, left) and frequency (b, right) of spontaneous miniature excitatory postsynaptic currents (mEPSCs) in control and Ythdf1-KO hippocampal CA1 neurons. c, d, Summary plots (c) and average amplitude (d) of long-term potentiation (LTP) induced by 2 × high frequency stimulation (HFS) in the CA1 region of control and Ythdf1-KO acute slices. fEPSP, field excitatory postsynaptic potential. e, f, Summary plots (e) and average amplitude (f) of late phase LTP induced by 4 × HFS. Top panels, sample traces taken at time points 1 and 2 indicated above the summary plots; scale bars, 10 ms (horizontal) and 0.2 mV (vertical) (c, e). g, h, Representative western blots (g) and quantification (h) of a number of LTP-related proteins in the control and Ythdf1-KO hippocampal postsynaptic density (PSD) fraction. P values, Kolmogorov-Smirnov test for cumulative distributions followed by comparisons with Mann–Whitney U test (b) and two-tailed t-test (d, f, h). Numbers in bars, numbers of neurons/mice (b), slices/mice (d, f), and mice (h). Error bars, mean ± s.e.m
 
為了進一步探究Ythdf1是否能夠調(diào)控長時程的突觸可塑性,通過一種主流的闡釋學習記憶的分子機制——長時程增強效應(Long Term Potentiation ,LTP),即通過給與海馬CA1區(qū)高頻刺激,記錄Ythdf1-KO和對照組小鼠(野生型)的LTP,結(jié)果顯示,Ythdf1-KO未能顯示正常水平的突觸后電位。同時Ythdf1的缺失顯著降低了海馬神經(jīng)元突觸后致密物中參與LTP的關(guān)鍵蛋白質(zhì)的水平 (Fig. 2g-h; Extended Data Fig. 4e)。以上實驗結(jié)果顯示,Ythdf1的缺失損害了海馬區(qū)神經(jīng)元的突觸傳導功能,由此導致學習和記憶能力的下降。
 
 
Extended Data Figure 4 |. Paired-pulse ratios (PPR), spine morphology, and total protein levels of various LTP-related genes in Ythdf1-KO mouse hippocampus, related to Figure 2.
a, b, PPR with different inter-stimulus intervals in CA1 neurons from wild-type control and Ythdf1-KO mice. c, d, Representative images of Lucifer Yellow staining (c) and statistical analyses of spine density (d, left) and spine size (d, right) in CA1 neurons from adult control and Ythdf1-KO brain. e, Uncropped western blot images for Fig. 2g. f, Total protein levels of a set of LTP-related genes in control and Ythdf1-KO mouse hippocampus. For gel source data, see Supplementary Figure 1. P values, two-way repeated measures ANOVA with post hoc two-tailed t-test (a) and two tailed t-test (b, d, f). Numbers in bars, numbers of slices (b), neurons/mice (d, left), spines (d, right), or mice (f). Error bars, mean ± s.e.m.
 
為了證實小鼠學習記憶功能的下降是由海馬區(qū)Ythdf1缺失導致的,研究團隊針對Ythdf1-KO成年小鼠重表達了海馬區(qū)Ythdf1,Morris水迷宮實驗和情景相關(guān)條件恐懼實驗證實,重表達Ythdf1的Ythdf1-KO小鼠學習記憶能力大幅度提高。同時KCl去極化刺激實驗和電痙攣療法實驗顯示, Ythdf1介導的蛋白質(zhì)合成功能,可在神經(jīng)元的刺激下趨于正常化。
 
此項研究將m6A甲基化這一生物體普遍存在的修飾機制研究引入到解決神經(jīng)科學領(lǐng)域關(guān)鍵科學問題中,對于開啟和深入闡明蛋白翻譯調(diào)控在突觸可塑性中的作用有著重要的意義。
 
就記憶功能而言,可分為短時(工作記憶)和長時記憶。Anderson(1976)將長時記憶分為陳述性記憶或非陳述性記憶。陳述性記憶涉及的主要腦結(jié)構(gòu)是海馬以及其他顳葉內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)。非陳述性記憶促成了運動技能和習慣的獲得,并通過新紋狀體和小腦實現(xiàn)。此外,杏仁核介導情緒記憶,并被證明參與記憶的整合。
 
伴隨著腦科學研究的不斷深入,行為學已經(jīng)是必不可少的研究手段。
 
發(fā)布者:深圳市瑞沃德生命科技股份有限公司
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