7月13日，上海科技大学生命科学与技术学院管吉松组在《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表题为“Kdm4a is an activity downregulated barrier to generate engrams for memory separation ”的研究论文，首次在体内用无偏差的敲除筛选来鉴定影响记忆印迹形成的表观遗传学基因。研究揭示了大脑中记忆印迹细胞招募的表观遗传学调节因子Kdm4a及其参与脑内记忆信息分配存储的功能，并为体内研究记忆相关细胞的分子机制提供了新的策略。
记忆印迹（memory engram）是学习过程中被激活的一群神经元，对记忆的形成、巩固、提取和分离至关重要。尽管学习后记忆印迹的转录组分析表明，神经元在记忆形成和可塑性方面发生了深刻变化，但对于记忆印迹是如何被选择和分配的机制仍然知之甚少。在记忆的编码阶段，被激活神经元细胞核发生显著的转录变化以及染色质结构的改变，这种活动依赖的染色质重塑主要由细胞核内的表观遗传学调节因子负责调控。前期研究中发现，对记忆印迹细胞的选择和分配起关键作用的唯一关键分子是转录因子CREB。大量研究围绕神经元的CREB被激活后如何被选择成为记忆印迹细胞展开，发现了长期记忆分配（allocation）和不同记忆分离（discrimination）的相关时间窗口。那么，长期记忆的记忆印迹细胞分配是否存在其它关键调节因素？有哪些重要的表观遗传学调节因子在记忆形成过程中，尤其是在记忆印迹细胞的招募过程中起关键作用？本研究针对表观遗传学基因设计CRISPR敲除文库，并将敲除文库引入及早基因报告小鼠的海马齿状回，来筛选抑制记忆印迹细胞招募的关键基因。通过无偏差的体内敲除筛选，鉴定出组蛋白赖氨酸去甲基酶Kdm4a在生理情况下负责抑制记忆印迹的招募。
图1.记忆印迹筛调控因子筛选
本工作验证了体内敲减Kdm4a的表达会增加神经元被招募为记忆印迹的概率。同时，抑制Kdm4a在齿状回的表达能够增强动物对场景记忆的分辨能力，即记忆的分离。研究还进一步发现记忆的编码过程会造成Kdm4a的表达下降，而且这种活动依赖的表达下降特异出现在被招募的记忆印迹细胞中。
在机制上，本工作发现Kdm4a锚定在钙通道蛋白Trpm7基因位点的外显子区域，通过去甲基化组蛋白H3K36me3从而导致新生RNA的转录停滞，并在Kdm4a离开后允许Trpm7的转录继续进行。此外，YTH结构域蛋白2（Ythdc2）将Kdm4a招募到Trpm7基因上，并稳定新生的RNA。Kdm4a对下游基因Trpm7转录的调控影响了海马神经元的突触形态。通过基因操作或人工激活来降低海马体神经元中Kdm4a的表达，可以促进啮齿类动物的记忆分离能力。这些研究表明，Kdm4a在记忆印记形成中作为一种抑制性调控因子，由神经激活产生的Kdm4a下调让神经元进入一种预备状态（priming state），这种状态有助于产生单独的记忆。
图2：Ythdc2与Trpm7 mRNA外显子区域的m6A位点结合的示意图，用于招募转录抑制因子Kdm4a以清除组蛋白H3K36me3甲基化修饰，从而降低Trpm7基因外显子区域的转录速度。
上海科技大学生命学院博士后郭修贤为该论文的第一作者。上海科技大学生命学院管吉松教授与上海理工大学智能科技学院谢红教授为该论文的共同通讯作者。上海科技大学为第一完成单位。研究得到了上科大仓勇教授和庄敏教授的帮助。
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