Cell Res | 王秀杰/杨运桂合作组揭示RNA m6A修饰影响长时记忆形成效率
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长时记忆的形成（long-term memory formation）是哺乳动物适应环境变化、智力发展所必需的，对于人类的社会活动尤其重要。大脑的海马体是人类形成长时记忆的主要物质载体【1】。虽然一些参与记忆形成的基因已经被发现，但关于记忆形成过程的调控因素与机制仍存在很多未知。N6-甲基腺嘌呤（m6A）是哺乳动物细胞中mRNA上最为普遍的修饰，主要由METTL3/METTL14/WTAP复合物催化形成，其中METTL3是催化m6A形成的关键甲基转移酶【2】。
2017年至2018间，有三篇文章先后发表在Cell，Nature Neuroscience与PLOS Biology上，利用胚胎发育期敲除METTL14或METTL3的小鼠模型，分别揭示了m6A缺失对大脑皮层发育、神经干细胞自我更新以及小脑发育存在显著影响【3-5】，然而，由于上述工作获得的基因敲除小鼠神经系统发育缺陷，通常在断奶期前后死亡，所以m6A修饰在成体神经系统中的功能仍不清楚。The Journal of Neuroscience曾在2016年发表研究称小鼠前额叶中m6A丰度会随着学习训练增加，提示m6A修饰与小鼠记忆形成具有一定相关性【6】。然而该研究主要是围绕FTO展开的。由于FTO在细胞内存在非m6A修饰相关的功能，因此m6A修饰是否调节记忆形成及其分子机制仍不明确。
10月8日，中国科学院遗传与发育生物学研究所的王秀杰研究组联合中国科学院北京基因组研究所的杨运桂研究组在Cell Research杂志在线发表了题为METTL3-mediated m6A mRNA modification enhances long-term memory consolidation的最新研究成果，系统阐明了m6A修饰在学习过程中对长时记忆形成的调节作用及其相应的分子机制。
该研究利用CaMKIIα-Cre特异性地在乳鼠的皮层及海马区中敲除Mettl3，系统研究了m6A缺失后对成体神经功能的影响。与Nestin-Cre介导的METTL3/METTL14敲除小鼠的致死表型不同，成体脑中缺失m6A并不影响小鼠的成长、体重、生育能力及大脑结构。行为上，敲除小鼠具有正常的运动能力、探索能力、趋触性、焦虑水平甚至短时记忆能力。利用Morris水迷宫与条件性恐惧记忆检测并结合突变-回补实验发现：m6A水平正向调控了小鼠的空间学习能力，缺失或增加m6A修饰（敲除或过表达METTL3）的小鼠分别表现出明显的学习能力下降或上升。有意思的是，在给予足够训练的前提下，上述由m6A丰度决定的学习能力差异并不影响小鼠的最终学习结果，换句话说，当训练次数足够多时，所有小鼠都展示了水平相当的 “成绩” ：尽管在训练初期存在差异，但经过5天水迷宫训练或三次足部电击后，m6A缺失或增加的小鼠与各自对照相比都呈现了相似的学习水平，说明通过METTL3调节m6A丰度可以影响小鼠学习速度的快慢，却并不能决定最终小鼠长时记忆是否形成。
与上述现象相对应的， m6A缺失并不会影响神经元的兴奋性、信号传递以及短时程可塑性（short-term plasticity）等基本电生理特征，而是造成了神经回路中长时程增强（long-term potentiation）作用的减弱。研究进一步比较了在早期学习过程中小鼠海马体的m6A修饰甲基化谱及基因表达谱的变化，发现m6A修饰在学习过程中是动态变化的，但其缺失并不会显著影响学习过程中的基因表达丰度。长时记忆形成同时依赖于基因的转录与新蛋白的合成，其中一类基因能够在很短时间内响应外界环境刺激并进行特异性的表达翻译，故被称为早期响应基因（immediate-early genes）【7】。相关基因的敲除动物研究表明，缺失早期响应基因会对神经回路长时程增强及小鼠长时记忆形成造成障碍【7】。研究发现，在m6A缺失的小鼠海马体中，虽然早期基因能够被正常诱导表达，其产生的蛋白丰度要显著低于对照小鼠；进一步分析表明，在诱导兴奋的神经元中，m6A修饰丰度正向调控了早期响应基因的蛋白丰度，提示m6A修饰通过提高早期响应基因的翻译效率来调控小鼠学习速度。
进一步地，研究发现野生型小鼠的水迷宫学习能力与其海马体的本底METTL3蛋白丰度呈现中度正相关的关系，能在短期内完成水迷宫测试的小鼠的海马体内METTL3蛋白丰度要显著高于不能完成测试的小鼠，提示m6A修饰丰度的差异可能是造成个体学习能力差异的原因之一。值得关注的是，上述差异在长期训练后的行为学表现分组中并不存在，说明记忆能力的差异可以被多次学习巩固所弥补。由此可见，“勤能补拙”具有生物机制方面的合理性。
据悉，该研究中使用到的Mettl3flox/flox小鼠由中国科学院动物研究所周琪院士提供；小鼠METTL3条件性敲除、敲除动物表型鉴定、行为学分析、神经电生理分析、生物信息学数据分析以及分子机制研究主要由文章的共同第一作者——王秀杰研究组的博士研究生张泽宇与副研究员王猛合作完成；中国科学院北京基因组所杨运桂研究员参与实验设计与指导，该组副研究员杨莹进行了小样本量m6A修饰单碱基测序建库。
参考文献
1 Fanselow, M. S. & Dong, H. W. Are the dorsal and ventral hippocampus functionally distinct structures? Neuron 65, 7-19 (2010).
2 Yang, Y., Hsu, P. J., Chen, Y.-S. & Yang, Y.-G. Dynamic transcriptomic m6A decoration: writers, erasers, readers and functions in RNA metabolism. Cell Research 28, 616-624 (2018).
3 Yoon, K. J. et al. Temporal Control of Mammalian Cortical Neurogenesis by m6A Methylation. Cell 171, 877-889 e817 (2017).
4 Wang, Y. et al. N6-methyladenosine RNA modification regulates embryonic neural stem cell self-renewal through histone modifications. Nat Neurosci 21, 195-206 (2018).
5 Wang, C.-X. et al. METTL3-mediated m6A modification is required for cerebellar development. PLOS Biology 16, e2004880 (2018).
6 Widagdo, J. et al. Experience-Dependent Accumulation of N6-Methyladenosine in the Prefrontal Cortex Is Associated with Memory Processes in Mice. J Neurosci 36, 6771-6777 (2016).
7 Sun, X. & Lin, Y. Npas4: Linking Neuronal Activity to Memory. Trends Neurosci 39, 264-275 (2016).
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