Biol Psychiatry︱黄卓课题组揭示JADE2在海马突触可塑性和学习记忆中的重要作用
撰文︱刘永清，范明华
责编︱王思珍
制版︱查佳雪
在哺乳动物的大脑中，来自外部环境中的信息（例如感觉刺激和社交运动等）在持续不断地调节神经网络兴奋性，从而深刻影响大脑进行信息处理、学习和记忆的生物学机制[1, 2]。活动依赖可塑性是学习和新记忆形成的生物学基础[3]。在学习和记忆的过程中，结构可塑性的增强与树突棘的数目和大小变化紧密相联。例如，条件性恐惧训练实验会增加海马CA1神经元树突棘的密度[4]。此外，突触可塑性功能损伤会引发一系列神经精神疾病例如智力障碍和抑郁等[5, 6]。尽管突触可塑性在大脑的生理和病理过程中至关重要，但是它潜在的分子机制目前仍不太清楚。
长时程突触可塑性的维持和记忆的形成需要神经细胞中基因转录的改变[7]。在外界环境刺激的情况下，表观遗传调控是改变细胞基因表达的一种重要方式，这提示表观遗传因子是调节神经可塑性的理想候选者[8]。可逆的组蛋白翻译后修饰，包括乙酰化、磷酸化和甲基化，是调节基因表达的重要的表观遗传机制。尤其，组蛋白乙酰化酶、组蛋白去乙酰化酶和乙酰辅酶A合成酶[9-11]，这些都与学习记忆紧密相关，提示组蛋白乙酰化在认知功能中发挥重要作用。
2022年5月22日，北京大学药学院黄卓团队在《生物精神病学》（Biological Psychiatry）在线发表了题为“JADE2 is essential for hippocampal synaptic plasticity and cognitive functions in mice”的研究论文。该研究深入阐明了表观遗传分子JADE2在海马突触可塑性和学习记忆中的重要作用及其分子机制。范明华、刘永清为论文共同第一作者，黄卓研究员和刘永清博士为论文通讯作者。尚永丰教授和梁静研究员也给予指导与支持。
为了探究在神经元兴奋性变化过程中，表观遗传因子尤其是与组蛋白乙酰化修饰相关的基因表达水平是否会发生变化，作者首先采用高浓度的氯化钾刺激小鼠海马原代神经元，检测一些表观遗传因子的mRNA变化情况。RT-qPCR实验结果显示在此体外模型中大部分表观遗传因子的mRNA水平没有变化，只有JADE2的mRNA水平随着神经元兴奋性增高而显著升高（图1a）。蛋白免疫印迹WB实验和免疫荧光实验也证明了在氯化钾刺激原代神经元模型中，JADE2蛋白表达量随神经元兴奋性增高而显著升高。为了探究在体内JADE2随神经元兴奋性变化的情况，作者采用化学遗传学、水迷宫训练和卡英酸诱导的癫痫模型等实验发现当海马神经网络兴奋性增加时，JADE2的表达量也明显升高（图1）。综上可知，JADE2的表达随神经元兴奋性增高而显著升高，说明JADE2在神经元兴奋性的活动依赖调节过程中发挥重要作用。
图1 JADE2的表达随神经元兴奋性增高而升高
（图源：Fan M, Liu Y, et al., Biol Psychiatry, 2022）
为了探究在成年鼠中JADE2的表达量变化是否会影响神经元的功能，作者构建了对照组和JADE2敲低组的腺相关（AAV）病毒，并注射到小鼠海马CA1脑区。通过电生理实验发现，JADE2敲低并不影响神经元自身兴奋性。但与对照组神经元相比，JADE2敲低组的CA1锥体神经元的微型兴奋性突触后电流（mEPSC）频率显著性降低，振幅基本不变（图2）。这些结果显示JADE2缺失会引起谷氨酸能突触传递功能受损。
图2 JADE2缺失引起谷氨酸能突触传递功能受损
（图源：Fan M, Liu Y, et al., Biol Psychiatry, 2022）
mEPSC频率的显著性下降反映了突触数目的变化或突触前递质释放能力的改变。为了检测JADE2是否对于树突棘的维持很重要，作者首先在CA1注射对照或JADE2敲低病毒，之后通过电生理和形态学的方法来标记CA1锥体神经元并检测树突棘的变化。与对照组相比，尽管JADE2敲低组锥体神经元的树突分支没有变化，然而它们的树突棘密度显著减少（图3c）。相反，在CA1中过表达JADE2明显增加树突棘的数目。然后作者采用paired-pulse ratios（PPRs）实验检测小鼠海马CA3-CA1谢弗通路（Schaffer colleteral pathway）突触前递质释放能力，实验结果显示与对照组相比，JADE2敲除组的CA1锥体神经元的突触前神经递质释放能力基本没有变化（图3e）。接下来，为了探究JADE2是否会影响海马的突触可塑性功能，作者检测了小鼠海马CA1锥体神经元的NMDAR/AMPAR ratio，与对照组相比，JADE2敲除组的NMDAR/AMPAR raio明显下降，并且长时程增强（LTP）功能明显受损（图3），说明JADE2对于海马突触可塑性的维持至关重要。
图3 JADE2缺失损害海马突触可塑性
（图源：Fan M, Liu Y, et al., Biol Psychiatry, 2022）
然后作者通过一系列动物行为学实验，包括旷场实验、高架十字实验、新物体识别实验、水迷宫实验和恐惧记忆实验，发现明在海马中JADE2缺乏对动物的运动能力和焦虑水平基本没有影响，但明显影响小鼠的学习记忆能力（图4）。
图4 JADE2缺失损害小鼠学习记忆能力
（图源：Fan M, Liu Y, et al., Biol Psychiatry, 2022）
为了探究JADE2介导学习记忆的分子机制，作者分别取JADE2敲除鼠及同窝对照鼠的海马组织，做了RNA-seq高通量测序实验来寻找JADE2与学习记忆相关的下游调控基因。在JADE2的下游调控基因中，作者重点关注到Rac1基因，因为它的功能主要与树突棘发育和记忆形成密切相关[12, 13]。接下来，作者想探究JADE2调控的突触可塑性和学习认知行为是否通过RAC1的表达来实现。通过实验发现当JADE2敲除时海马CA1锥体神经元树突棘密度会明显减少，但是同时敲除JADE2和过表达RAC1时，CA1细胞树突棘密度回归到正常水平，跟对照组没有差异（图5c）。之后，电生理实验发现，当JADE2敲除时，细胞mEPSC的频率会明显下降而振幅不变，同时敲除JADE2和过表达RAC1时，细胞mEPSC的频率回归到正常水平，跟对照组没有显著差异。此外，过表达RAC1可以逆转敲除JADE2导致的Schaffer-colleteral通路的长时程可塑性功能下降现象和小鼠记忆受损现象，使其回归至正常水平（图5）。这些实验说明RAC1是JADE2介导小鼠学习记忆必不可少的。
图5 JADE2通过RAC1的表达来调节学习记忆能力
（图源：Fan M, Liu Y, et al., Biol Psychiatry, 2022）
综上所述，该研究结合电生理、分子生物学和动物行为学等实验，发现了表观遗传因子JADE2对结构可塑性和记忆形成的调控作用至关重要。已知RAC1功能障碍会导致很多神经精神疾病，例如智力障碍和抑郁症等[14, 15]， 所以未来可以进一步探究JADE2与其他神经精神疾病之间的功能联系。
根据以前的研究[16]，JADE2作为E3连接酶能降解LSD1，促进胎鼠大脑皮层和斑马鱼胚胎细胞的神经元增生，这提示是否在成年小鼠DG脑区中JADE2会通过影响神经元增生来调节学习记忆，这一推测还需要进一步的实验证明。
总之，该研究成果为神经网络兴奋性（环境信息）和记忆形成之间提供了一个分子层面的连接者，同时提示JADE2可以作为改善学习记忆和提高认知药物的一个潜在靶标。
第一作者范明华（左）；共同第一作者并通讯作者刘永清（中）；通讯作者黄卓（右）
（照片提供自：黄卓实验室）
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参考文献（上下滑动阅读）
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本文完