2019年9月9日

研究人员描述了神经元中日常经历留下的表观遗传指纹

西班牙国家研究委员会

由位于阿利坎特的神经科学研究所UMH-CSIC的研究人员领导的一项国际研究提出了一种新颖的多组学分析，分析由病理(癫痫)和生理(学习和记忆)背景下的神经元激活所触发的神经元遗传物质组织的变化。

其中一些变化是长期的，甚至可以在神经元激活后几天检测到，作为过去神经元激活的基因组记忆的一种形式。

该研究在啮齿动物中进行，并发表在自然神经科学，显示了有助于成人大脑可塑性的新的分子机制。由神经元激活引起的变化比以前认为的更复杂，作用水平也更高。

这些发现,由所领导的一个国际研究小组的研究人员Instituto de Neurosciencias UMH-CSIC在阿利坎特,亚特兰大埃默里大学的研究人员的参与,首次描述组织的遗传物质的变化从成年小鼠海马神经元兴奋性激活。

“我们想知道神经元的激活是如何改变其未来反应的;这些变化构成了一种细胞记忆形式，对记忆的形成至关重要，”领导这项研究的UMH-CSIC神经科学研究所的研究人员Ángel Barco博士解释说。Barco博士说:“为了达到这个目标，我们在神经基因组学中使用了好几种技术，这些技术首次在完整的小鼠大脑中应用。”

研究人员想知道当动物暴露在一个新的环境中，激活的神经元具体发生了什么。“这种反应对记忆形成很重要，但很难通过实验来解决。对这种经历有反应的神经元是非常小的一组，在大脑中弥散分布，因此很难将它们分离出来，并观察其中发生了什么，”Barco博士补充说。

为了简化，研究人员走了一条捷径。他们引起了小鼠神经元的大量激活，就像在癫痫发作的过程中一样，并观察了染色质发生的变化。

染色质是一种高度致密的结构，由于一种特殊蛋白质的作用，将近两米的遗传物质(DNA)被存储在微小的细胞核中组蛋白。为了了解染色质的致密程度，一根大头针上大约有10万个细胞核。

“癫痫模型的优势在于，我们有大量的起始材料来进行分析。拥有1000万个细胞是很容易的。如果我们想要使用最复杂的记忆模型，只需要很少初始材料的可伸缩技术就能起作用，因为在这种情况下，神经元网络是由大约2000个细胞组成的，”巴可教授说。

他补充说:“通过模拟癫痫，我们已经能够确认在更生理的情况下发生的这些变化，比如老鼠在探索一个新地方时大脑中的神经元群被激活。”

研究人员发现，在这两种情况下，转录“爆发”都会发生。也就是说，特定基因的强烈激活产生蛋白质。转录是基因表达的第一步。它导致蛋白质的形成，而蛋白质是指导几乎所有生命过程的分子。

反过来，遗传物质的转录依赖于染色质中发生的变化。染色质的压实程度和染色质不同区域之间的相互作用决定了转录和基因表达的调控。

这项研究表明，这种激活与染色质单独区域之间的可及性增加和新的相互作用的出现有关，这是允许基因激活的必要条件。该研究的第一作者Jordi Fernández-Albert解释说:“在我们的研究中观察到的基因组拓扑结构的动态和大规模调整可能有助于与正常和病理条件下的神经元激活相关的快速和协调的转录反应。”

这些变化被称为表观遗传，因为它们不影响遗传物质中包含的信息，而是影响它们的表达。它们可以永久地改变与认知有关的基因的表达和未来的反应能力，因此代表了一种基因组内存。