Nature丨周涛/何川/宋洪军合作组揭示m6A识别蛋白调控学习记忆的分子机制——专家点评
点评丨马欢（浙江大学）、叶小菁（中山大学）
责编丨迦溆
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m6A是广泛存在于哺乳动物信使RNA（mRNA）上的一种甲基化修饰，它最早发现于20世纪七十年代，但是直到2011年首个m6A去甲基化酶被鉴定出来以及m6A测序技术的兴起，才使得人们意识到这一修饰可能同DNA甲基化一样具有重要的调控作用并开始研究它的生物学功能。m6A 通过被其识别蛋白结合从而决定mRNA的命运并影响一系列生物学过程（Cell Res发表三篇综述：m6A相关综述，很多关键问题仍有待解决）【1】。在各个组织器官中，大脑是m6A及其识别蛋白表达最为丰富的器官之一。最近一段时间，关于m6A修饰以及催化m6A形成的酶METTL14或METTL3对大脑皮层、突触的功能、轴突再生以及脑发育相关的研究也陆续有一些报道【2-7】，最近王秀杰课题组与杨运桂课题组合作在Cell Research上还报道了METTL3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（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）。然而对于m6A及其识别蛋白如何参与到大脑特定功能的调控中目前并不十分清楚。
11月1日，上海科技大学生命学院院黄行许课题组研究助理教授周涛领导的研究小组、芝加哥大学何川教授课题组以及宾夕法尼亚大学宋红军教授课题组合作在Nature杂志上发表了题为m6A facilitates hippocampus-dependent learning and memory through YTHDF1的研究成果，在RNA甲基化（m6A）调控学习与记忆功能的研究领域取得重要进展，首次揭示了m6A通过其识别蛋白YTHDF1调控小鼠空间学习与记忆能力的分子机制。
为了探索m6A修饰对于大脑学习和记忆功能的调控机制，研究合作团队利用CRISPR/Cas9技术构建了m6A识别蛋白YTHDF1的敲除小鼠，并结合行为学表型分析、电生理记录、局部基因敲降及过表达、m6A测序、RNA测序以及YTHDF1-CLIP测序等一系列技术进行了深入研究，首次揭示了m6A通过其识别蛋白YTHDF1在响应外界刺激的条件下促进海马脑区相关mRNA的翻译，从而进一步促进海马依赖的空间学习与记忆功能的分子机制。这一研究完善了学习和记忆在RNA层面的调控机制，为研究学习与记忆过程背后的详细分子机制提供了新的方向，同时这也促进了人们对于m6A修饰在体生物学功能的认识。
图注：在野生型小鼠中，刺激引发的神经反应及记忆相关蛋白的合成均处于正常水平，从而可以保证记忆的正常形成。而在YTHDF1敲除的小鼠中，这种刺激引发的反应及后续蛋白合成均出现了显著降低，从而最终导致了记忆形成的受损。
据悉，上科大博士后张旭亮、何川组博士研究生施海玲和宋红军组博士后Weng Yi-Lan为文章共同第一作者，周涛、何川、宋红军为共同通讯作者。
专家点评
马欢（浙江大学医学院神经科学中心研究员）
学习记忆是大脑最重要的高级功能之一，其功能的执行依赖于神经细胞可塑性来将大脑对外界的感知编码储存在相关记忆细胞中。在过去半个世纪，人类对于学习记忆特别是长期记忆的分子机制的认识越来越深入，其中一个重要的共识是为了形成长期记忆，大脑中的神经细胞需要合成新的蛋白质，这一过程对于维持神经细胞的可塑性与功能至关重要，是记忆在分子细胞层面的基础。
得益于特异性蛋白合成抑制剂的发现，来自于美国宾西法利亚大学医学院的Eliot Stellar等于1963年在Science上报道学习后1-3天在大脑中注射蛋白抑制剂Puromycin可以非常有效的抑制长期记忆，提示蛋白质合成在长期记忆的重要作用。在接下来的几十年，蛋白合成是如何被神经细胞活性调控并影响记忆一直是神经科学的研究热点，尤其是新基因合成与翻译这两个对于新蛋白合成十分重要的调控机制。
当大脑接受外界信息时，相关神经细胞会活跃放电，这一过程会激活细胞内一系列信号转导通路来合成新的蛋白，从而维持神经细胞可塑性。在上个世纪80年代左右，在纽约相距不到15英里的两个实验室相继独立在Science（Greenberg et al., Science1986）和Nature（Morgan et al., Nature 1986）上发文证实神经细胞活性可以诱导基因表达，拉开了神经活动调控新基因合成研究的序幕，此后其相关的关键分子和在长期记忆中的作用相继被发现。与阐明新基因合成调控机制形成鲜明对比的是，目前对于新蛋白合成至关重要的翻译调控的分子机制还知之甚少，而本期Nature上由宋红军、何川和周涛等实验室发表的论文对此进行了深入研究并取得重要突破。他们发现介导信使RNA m6A甲基化的结合蛋白YTHDF1对于海马依赖性长期记忆至关重要，敲除该蛋白导致小鼠的神经长时程可塑性受到抑制，而这些缺陷可以在大脑海马区域中通过病毒注射YTHDF1进行挽救，显示该蛋白YTHDF1作用的特异性。接下来作者通过细胞分子学手段，阐明了YTHDF1可以介导与神经细胞可塑性相关的众多蛋白的翻译，首次证明介导m6A甲基化的YTHDF1在长期记忆中的关键作用。
本研究通过跨学科合作，将m6A甲基化这一生物体普遍存在的修饰机制研究引入到解决神经科学领域关键科学问题中，对于开启和深入阐明蛋白翻译调控在神经可塑性中的作用有着重要的意义，相信接下来通过制备YTHDF1特异性抗体等手段阐明其亚细胞定位，并通过生理条件刺激来深入研究神经细胞活性与蛋白翻译的时空偶联将为阐明大脑长期记忆的细胞分子机制打开一扇新的窗口。
叶小菁（中山大学中山医学院教授）
记忆是最基本的认知功能之一，记忆衰退常见于衰老和痴呆症，而过度强化的非可适应性记忆与创伤后压力综合症、成瘾症等心理疾病密切相关。因此，阐明记忆的机制，找到有效调控记忆的方法，是当前脑科学研究的重要目标之一。过去几十年对于记忆的研究达成的一个共识是：长时程记忆的形成需要新的基因表达(Kandel, Science， 2001)，研究神经元激活和突触活性如何调控基因表达是理解记忆形成的关键。
这个领域有几个有趣的发现：（1）虽然大多数mRNA翻译是在神经元胞体完成的，但有少部分特定的mRNA会被输送到树突或轴突，在局部突触接受刺激后被翻译成蛋白质，进一步改变局部突触的结构和功能。这个机制是突触可塑性的空间特异性的重要保障条件之一 (Wang et al., Trends Neurosci., 2010)；（2）学习后最初的5-10分钟的基因表达主要受转录后机制调控，小部分已经存在的mRNA会被快速富集到核糖体进行翻译，而另一部分mRNA的表达则受到抑制（Cho et al., Science， 2015)。因此，在记忆形成过程中，基因转录和翻译并不是完全藕连的，是什么决定了mRNA在转录后的命运？这个问题在很长时间内并没有很好的答案。
近年来研究发现，mRNA的修饰可以动态调控RNA的剪切、运输、稳定性和翻译，其中m6A修饰在哺乳动物中是最常见的，并且在大脑中富集。2010年，何川教授在Nature Chemical Biology撰文提出RNA表观遗传学的概念，指出RNA的修饰，像蛋白质的修饰一样，是可逆的。m6A修饰在完整生物体内的功能是什么？m6A修饰是否影响学习记忆过程中的RNA转录后调控，从而影响学习和记忆？最近Hailing Shi等人在Nature杂志发表的题为“m6A facilitates hippocampus-dependent learning and memory through YTHDF1”的文章，为这些问题的答案提供了直接的证据。他们发现，在m6A的识读蛋白YTHDF1的基因敲除小鼠中，海马区相关的学习和记忆功能发生了障碍，海马区神经元兴奋性突触的功能和可塑性也受损了；而在敲除小鼠海马区用AAV过表达YTHDF1可以修复这些损伤。通过RNAi在海马区短期抑制YTHDF1或者m6A的甲基转移酶METTL3的表达也会对记忆功能造成类似的伤害。运用CLIP-seq，研究团队进一步识别了海马神经元中被YTHDF1结合以及m6A修饰的mRNA。值得注意的是，他们发现YTHDF1对基础水平的mRNA表达调控作用很小，但在神经元被激活后，却对mRNA的表达发挥重要的调控作用。有趣的是，YTHDF1蛋白在学习后也会相对富集到突触后致密物中。最近一项研究发现m6A可定位到树突中调控局部转录组，从而影响突触可塑性（Merkurjev D., et al., Nat. Neurosci. 2018）。YTHDF1可能在接受刺激的突触，通过调控局部翻译影响突触可塑性，从而影响记忆的形成。
这项研究是一个有突破性意义的发现，首次揭示了RNA的m6A修饰在学习记忆中的关键作用，为进一步探索记忆形成过程中，神经元激活和突触活性如何影响RNA的修饰，以及RNA的转录后调控和快速翻译机制奠定了基础。同时，这项研究对临床上开发针对RNA修饰的相关药物，治疗记忆相关疾病具有重要指导意义。
参考文献：
1、Jia, G., Fu, Y., Zhao, X., Dai, Q., Zheng, G., Yang, Y., ... & He, C. (2011). N6-methyladenosine in nuclear RNA is a major substrate of the obesity-associated FTO. Nature chemical biology, 7(12), 885.
2、Yoon, K. J. et al. Temporal Control of Mammalian Cortical Neurogenesis by m6A Methylation. Cell 171, 877-889 e817 (2017).
3、 Wang, Y. et al. N6-methyladenosine RNA modification regulates embryonic neural stem cell self-renewal through histone modifications. Nat Neurosci 21, 195-206 (2018).
4、Wang, C.-X. et al. METTL3-mediated m6A modification is required for cerebellar development. PLOS Biology 16, e2004880 (2018).
5、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).
6、Merkurjev, D., Hong, W. T., Iida, K., Oomoto, I., Goldie, B. J., Yamaguti, H., ... & Pellegrini, M. (2018). Synaptic N 6-methyladenosine (m 6 A) epitranscriptome reveals functional partitioning of localized transcripts. Nature neuroscience, 1.
7、Weng, Y. L., Wang, X., An, R., Cassin, J., Vissers, C., Liu, Y., ... & Joseph, J. (2018). Epitranscriptomic m 6 A regulation of axon regeneration in the adult mammalian nervous system. Neuron, 97(2), 313-325.
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