表观遗传修饰对突触可塑性的调控作用研究进展

王 冲

(陕西中医药大学医学科研实验中心，陕西咸阳 712046)

长期以来，表观遗传修饰广泛应用在研究干细胞、癌症和发育生物学等领域。最近研究人员发现表观遗传修饰在神经科学领域，特别是发育过程和脑的高级功能如认知中发挥重要作用。染色质的表观遗传修饰多样且复杂，对表观遗传修饰在神经生物学领域的研究离不开发育和进化生物学的发展。融合这些不同领域的研究结果已经形成了新的概念和观点，用来帮助人们更好的了解脑的基本和更高级的功能，认识跨代间的行为特征遗传过程。

学习和记忆是脑最重要的高级神经功能之一。突触可塑性是指神经元细胞在神经元活化后增强或削弱其连接的能力，被认为是学习和记忆细胞水平的生物学基础[1]，其机制不仅在简单的生物体如海洋软体动物，而且在脊椎动物中被广泛研究。长期的突触可塑性涉及参与突触功能基因表达的变化，近年来，越来越多的研究表明，在无脊椎动物和脊椎动物中，表观遗传机制在调控突触可塑性中发挥着重要作用，文章就此方面的研究进展进行了回顾。

1 表观遗传修饰概述

表观遗传学是指在不影响DNA序列的情况下改变基因表达的染色质修饰，其机制包括microRNA、DNA甲基化和核小体组蛋白的翻译后修饰。DNA甲基化是指DNA的化学修饰，由此将胞嘧啶转化为5-甲基胞嘧啶，该过程常发生于富含Cp G二核苷酸的序列(称为Cp G岛)。Cp G多集中在基因的启动子区和转录起始区，这些区域的DNA甲基化能引起染色质重构并阻碍转录因子与核酸序列的结合而抑制基因表达。甲基化的过程取决于甲基供体(由营养物质如叶酸、甲硫氨酸和胆碱提供)和DNA甲基转移酶((DNA Methyltransferase，DNMTs)的存在。DNMTs分为DNMT1和DNMT3两个家族，前者作用于仅有一条链甲基化的DNA双链，使其完全甲基化；后者可识别半甲基化的DNA，为互补的胞嘧啶碱基添加甲基，包括DNMT3a和DNMT3b。由于甲基与胞嘧啶上C-5是共价结合，因此DNA甲基化被认为是最稳定的表观遗传标记[2]。基因表达的表观遗传调控也可通过组蛋白的多个翻译后修饰来介导，包括甲基化、乙酰化和泛素化等，这些机制可以改变DNA的可及性和染色质结构的密度。其中，组蛋白乙酰化与增加的转录活性相关，而组蛋白去乙酰化则与转录抑制相关。核小体组蛋白的乙酰化状态受到由甲基结合蛋白募集的组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferases，HATs)和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases，HDACs)的控制，HDAC抑制剂则可通过将组蛋白转移到乙酰化状态来有效增加基因的表达。染色质通过这些复杂机制控制基因表达的时间和程度，为单基因型和多表型之间提供了联系。

2 突触可塑性的表观遗传调节

2.1 无脊椎动物的突触可塑性

海兔的长期突触可塑性在感觉运动突触中的两种主要形式，表现为长期促进(long-term facilitation，LTF)和长期抑制(long-term depression，LTD)[3]。LTF和LTD分别代表突触传递的持续增加和持续减少[4]。同一个突触中同时表达两种形式的突触可塑性意味着突触反应由可逆和双向分子“开关”调制。在一项使用培养的海兔感觉运动神经元研究中，Guan Z等[5]发现LTF伴随着HAT CREB结合蛋白(CBP)与C/EBP(CCAAT/增强子结合蛋白，是CREB下游含有几个CRE结合位点的基因)启动子区域的结合而增加。同时，组蛋白3第14位赖氨酸(H3K14)、组蛋白4第8位赖氨酸(H4K8)乙酰化和C/EBP转录水平也增加；而LTD因为招募HDAC5表现出相反的效应。而使用HDAC抑制剂曲古抑菌素A(TSA)可以导致刺激后短期促进转变为长期促进，提示乙酰化的整体变化可以改变无脊椎动物的突触可塑性。

2.2 脊椎动物突触可塑性

脊椎动物突触可塑性最突出的表现形式是长期増强(long-term potentiation，LTP)和长期抑制(LTD)。这两种形式的可塑性分别反映突触传递效率的增加和降低，并且已经在海马(学习记忆所需的脑区)中进行了广泛的研究[6]。

与海兔中的发现一致，组蛋白表观遗传修饰特别是组蛋白乙酰化修饰不仅与突触可塑性相关，而且对其功能很重要。例如，小鼠HAT CBP失活降低了H2B整体乙酰化水平，并且削弱了海马切片中转录依赖性晚期LTP的诱导，但不影响与转录无关的早期LTP的发生[7]；用HDAC抑制剂辛二酰苯胺异羟肟酸(SAHA)处理上述海马切片可以改善晚期LTP。来自Cbpflox/flox和Cbp+/+小鼠的海马切片显示，海马背侧CA1区CBP的缺失破坏了LTP，进而损伤了小鼠的情景恐惧记忆和长期记忆[8]，表明组蛋白乙酰化和LTP之间存在因果联系。此外，与海马类似，TSA全身给药增加了与情绪记忆相关脑区杏仁核中的LTP水平[9]，但这种广泛的HDAC抑制剂不改变整个表观基因组水平，而是具有位点特异性[10]。当用TSA处理受到恐惧条件化的动物海马切片时，只有一部分含有CRE的基因转录上调[10]。这些结果表明不同的环境刺激可以调节基因的特定表观遗传机制，这种结果可以让人联想到组蛋白代码调制。此外，组蛋白去乙酰化酶在维持突触可塑性中也发挥着重要作用。例如，研究人员用两列高频率的刺激诱导海马切片LTP发生时，40 min后神经元特异性过表达HDAC2的小鼠海马切片兴奋性突触后电位(field excitatory postsynaptic potentials,fEPSPs)衰退至基线，而对照组小鼠海马切片的fEPSPs仍然增强；用一系列高频率刺激诱导LTP时，野生型小鼠fEPSPs显示出短暂增强后迅速衰减，而诱导40 min后，来自HDAC2敲除小鼠的海马切片显示出强大的增强作用，这些结果表明HDAC2的过表达损害突触可塑性，而HDAC2功能丧失则有助于突触可塑性[11]，即HDAC2蛋白表达与突触可塑性呈负相关。

DNA甲基化是另一个有助于调节突触可塑性的表观遗传机制[12]。θ强直刺激后20 min，用DNA甲基化抑制剂5-氮杂-2-脱氧胞苷(5AZA，30 μmol/L)孵育大鼠海马脑片，其LTP水平明显低于对照组，且接近于用药1 h后的基线值，表明DNA甲基化的早期改变可以损害LTP的诱导[13]。此外，用100 μmol/L RG108(一种抑制DNA甲基化的小分子竞争性DNMT拮抗剂)处理培养的皮层椎体神经元24 h，可观察到兴奋性突触后电流(mEPSC)振幅的累积分布向右移动，平均mEPSC振幅增加，采用定量方法，研究人员发现RG108以乘法方式增加了mEPSC的累积振幅，这些结果表明DNA甲基化的慢性、直接药理学抑制可以倍增的提高兴奋性强度，共价DNA修饰可能有助于突触可塑性的诱导[14]。施用佛波醇酯激活蛋白激酶C(PKC)降低DNA甲基化，特别是在诱导突触可塑性基因reelin的启动子区域，PKC激活进一步伴随增加c-Fos(参与突触传递的立即早期基因)和DNA甲基转移酶DNMT3a的转录激活，表明DNA甲基化参与突触信号级联[15]。值得注意的是，研究发现DNMT抑制剂在成熟大鼠海马切片中诱导的LTP缺陷可以通过增加组蛋白乙酰化水平来弥补，表明DNMT活性不仅对维持突触可塑性是必需的，而且DNA甲基化可能与组蛋白修饰协同作用来调节海马中学习记忆[16]。另外，研究人员使用条件性敲除小鼠发现DNMTs在突触可塑性中的作用，用100HZ强直刺激诱导的海马CA1区LTP在前脑兴奋神经元条件性双敲除DNMT1和DNMT3a小鼠的海马CA1区表现为显著的减弱；用1Hz诱导15 min后条件性双敲除小鼠表现出LTD增强，而单独敲除DNMT1和DNMT3a小鼠海马的LTP和LTD均显示正常，表明DNMT1和DNMT3a对于维持正常的突触可塑性是必需的[17]。

突触可塑性调节的异常被认为是学习记忆障碍的主要原因。许多以认知和行为缺陷为特征的神经发育和神经退行性疾病的发病机制与突触可塑性异常调节密切相关，因此对突触可塑性调节的研究有利于揭示这类疾病的病理机制。鉴于表观遗传修饰在调控突触可塑性功能上起重要作用，表观遗传修饰同样对认知功能障碍的调节具有重要作用。

3 认知功能障碍中的表观遗传修饰

认知是一个涉及多个脑功能的复杂过程，其中大部分功能尚未完全被了解。认知障碍患者的临床研究已经提出了对这些机制的初步了解，对认知障碍患者的研究可以帮助科学家更好的认识表观遗传机制在认知功能障碍相关疾病发生和发展中的作用，且由于表观遗传修饰是可逆的，所以表观遗传密码也可能为认知功能障碍未来的治疗方法提供一个有希望的目标。

3.1 Rett综合征

Rett综合征(Rett syndrome，RS)是一种相对常见的X染色体连锁发育性疾病，表现为严重的运动和认知障碍，且经常伴发自闭症。大多数RS是由编码甲基CpG结合蛋白2(MeCP2)的基因突变引起的。MeCP2蛋白与基因启动子上的甲基化CpG位点结合，通过与Sin3A和组蛋白去乙酰化酶作用形成辅阻遏物促进基因沉默，并通过与CREB作用，选择性调节活性BDNF基因转录[18]。最近的研究表明，MeCP2的功能不仅能抑制基因转录，而且可以介导条件记忆形成过程中基因的激活[19]。这些研究为以后治疗由MeCP2功能缺失引起的RS提供了新的靶基因。

3.2 阿尔茨海默病

阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)是最常见的神经退行性疾病之一。与AD相关的症状包括认知和学习记忆相关脑区广泛的神经细胞死亡。AD的主要标志之一是在脑区形成神经毒性的β-淀粉样蛋白肽斑块沉积，这些肽由β和γ分泌酶介导的淀粉样蛋白前体蛋白(APP)酶切产生。研究发现DNA甲基化与AD的发病有关。研究人员使用定量免疫组化方法检测了正常人群和AD患者中海马DNA甲基化标志物5-甲基胞苷(5-mc)和羟甲基化标志物5-羟甲基胞苷(5-hmC)的水平，结果显示与正常人群相比，AD患者海马中5-mc和5-hmC表达水平显著降低(分别为19.6%和20.2%)，且5-mc和5-hmC表达水平与海马淀粉样斑块沉积呈显著负相关[20]。而AD患者在脑额中回和颞中回中5-mc和5-hmC表达水平显著增加，且5-mc和5-hmC在全脑中的表达水平彼此呈正相关，并与AD的其他标志物如淀粉样蛋白、tau也呈正相关；研究人员使用双荧光免疫标记发现5-mc和5-hmC在AD患者星形胶质细胞和小胶质细胞中表达水平较低，而在神经元中表达升高[21]。这些研究结果清楚地表明5-mc和5-hmC参与了AD病程发生，但未来仍需要更多的研究来确定这些表观遗传变化参与AD病理进展的确切时间点。

另外，研究人员用AD小鼠相关病理模型发现AD的发生与乙酰化状态的改变有关。例如，在tg2576小鼠(淀粉样蛋白病理学模型)中可以观察到组蛋白H4而不是H3乙酰化水平的降低[22]。而在6和16个月龄的tg2576小鼠中，全脑给药HDAC抑制剂苯基丁酸酯可以恢复相关记忆功能和突触可塑性[23]。同样的，慢性注射HDAC抑制剂如丙戊酸钠、丁酸钠等能恢复APP/PS1D9小鼠(另一种淀粉样蛋白病理学模型)的联想记忆[24]。在另一个AD淀粉样病理学模型中，HDAC抑制剂曲古抑菌素A给药可以恢复APP/PS1小鼠联想记忆功能和海马LTP[25]，在这项研究中研究人员还发现APP/PS1小鼠暴露于学习刺激下组蛋白H4乙酰化水平降低。以上这些研究结果显示出未来在临床上使用HDAC抑制剂作为新的治疗靶点干预治疗AD的可能性。

4 小结

综上所述，表观遗传修饰在突触可塑性及认知功能障碍中发挥重要的调节作用。虽然目前表观遗传修饰对突触可塑性的调控研究尚处于初始阶段，诸如各种修饰之间的联系等诸多问题尚有待深入研究，然而这些研究对于进一步揭示学习记忆的分子机制具有重要的意义，而且也必将为某些神经类疾病的治疗提供新的思路。