Mol Psychiatry︱王莹飞课题组揭示KDM6B蛋白在神经元突触可塑性和学习记忆中的作用

撰文︱王亚楠，王莹飞

责编︱王思珍

编辑︱杨彬伟

很多退行性神经疾病以及智力发育障碍疾病常伴有异常的表观遗传学修饰[1-3]，比如阿尔茨海默氏病人（Alzheimer’s disease）有着显著降低的组蛋白H4K16 乙酰化修饰[4]。表观遗传学修饰再编码（epigenetic reprogramming）在后天学习记忆中可能起着及其重要的作用。KDM6B是一个关键的组蛋白去甲基化酶。它可以对组蛋白H3赖氨酸进行去甲基化修饰从而影响其功能。以往研究表明Kdm6b基因敲除小鼠出生后因无法呼吸而快速死亡[5]。 KDM6B缺失会导致大脑神经发育迟缓[6]，面部畸形以及智力发育障碍 [7, 8]。虽然KDM6B对大脑神经发育有着不可或缺的重要性，但是它介导的表观遗传学修饰再编码在出生后小鼠大脑中的功能却不是很清楚。研究KDM6B在神经突触可塑性方面的功能及深层次的分子机制研究将有助于我们理解表观遗传学修饰对后天学习和记忆的影响。

2022年8月26日，美国德克萨斯大学西南医学中心的王莹飞课题组在Molecular Psychiatry上发表了题为“KDM6B cooperates with Tau and regulates synaptic plasticity and cognition via inducing VGLUT1/2”的研究论文。王亚楠博士为论文第一作者，王莹飞助理教授为文章通讯作者。文章阐述了组蛋白去甲基化酶KDM6B在小鼠出生后起到调控神经元突触可塑性和小鼠认知功能的作用。该研究通过特异性地对小鼠前脑兴奋性神经元以及体外培养的大脑皮层神经元的Kdm6b基因敲除手段，发现KDM6B在神经元富集蛋白tau的牵引下结合到囊泡型谷氨酸转运体基因Slc17a6/7（编码VGLUT1/2 蛋白）启动子部位，降低该部位的组蛋白H3的三甲基化（H3K27me3）水平，从而控制VGLUT1/2表达并调控神经元突触囊泡和树突棘数目，兴奋性神经递质传递活动和小鼠的认知功能。

本课题为了研究去甲基化酶KDM6B在小鼠大脑兴奋性神经元中的功能，特异性敲除了小鼠前脑兴奋性神经元Kdm6b基因（KDM6B-cKO）并测试了一系列的小鼠运动，社交，和认知能力相关的行为学研究（图1）。研究发现KDM6B-cKO小鼠的运动和社交能力与野生型正常小鼠（WT）一致（图1 A-I），但是认知能力差异显著。在学习和记忆相关的的Y形迷宫，新物体识别（Novel object recognition ）和场景恐惧（Contextual fear conditioning）行为学中，KDM6B小鼠表现出明显的学习和记忆能力缺陷（图1 J-N）。

图1  KDM6B-cKO小鼠表现出学习和记忆相关的行为学缺陷

（图源：Wang, Yanan. et al., Mol Psychiatry,2022）

通过KDMB-cKO小鼠与绿色荧光蛋白（GFP）标记的Thy1-GFP小鼠杂交及其神经元突触定量分析，研究人员发现KDM6B-cKO小鼠中的神经元树突棘数目比正常小鼠明显减少（图2 E-H）。通过电子显微镜对神经元突触前和突触后精细结构的观察，研究人员进一步发现KDM6B-cKO小鼠中神经元突触前的囊泡数目明显降低，而突触后致密体（PSD）长度没有明显变化（图2 I-L）。电生理记录兴奋性突触后电流实验（sEPSC）也进一步证实了KDM6B-cKO小鼠的突触传递功能异常。对比正常小鼠，KDM6B-cKO小鼠中突触传递的电流大小和频率都明显偏低（图2 M-O）。

图2  KDM6B-cKO小鼠表现出突触传递活动减弱以及突触囊泡数目减少

（图源：Wang, Yanan. et al., Mol Psychiatry,2022）

研究人员为进一步研究KDM6B-cKO小鼠存在突触传递异常以及学习认知障碍的具体分子机制，进行了系统的RNA测序，分析比较KDM6B-KO以及正常神经元（WT）的mRNA 表达（图3 A-D），发现了一系列的重要的KDM6B下游调控基因，其中包括囊泡型谷氨酸转运体VGLUT2及另一家族成员VGLUT1。VGLUT1/2对兴奋性神经递质释放有着重要作用。这些结果显示 KDM6B很可能通过调控 VGLUT1/2表达从而影响神经突触功能。

图3 RNA-seq分析揭示VGLUT1/2是KDM6B的下游调控目的基因

（图源：Wang, Yanan. et al., Mol Psychiatry,2022）

因此研究人员通过慢病毒（lentivirus）感染体外培养的KDM6B-KO神经元引入外源KDM6B 或VGLUT1/2的蛋白表达。经过神经元树突棘定量分析以及电生理记录实验，研究人员发现具有去甲基化酶活性的KDM6B-WT（6B-WT）可以恢复KDM6B-KO神经元中减少的树突棘数量以及兴奋性突触后电流的频率，而缺少去甲基化酶活性的突变体KDM6B-mut（6B-mut）无法恢复树突棘数量及突触后电流的频率。与此同时，研究人员发现外源性VGLUT1/2表达也可以恢复KDM6B-KO神经元中减少的树突棘数量以及兴奋性突触后电流的频率（图4 A-E）。这些结果表明VGLUT1/2在KDM6B调控的树突棘数量和突触兴奋性神经递质传递中起到至关重要的作用。

图4  KDM6B通过VGLUT1/2调节突触可塑性

（图源：Wang, Yanan. et al., Mol Psychiatry, 2022）

为了进一步研究KDM6B调节VGLUT1/2的分子机制，研究人员进行了质谱筛选并发现微管相关蛋白tau可以与KDM6B有相互作用（图5 A, B）。用shRNA降低tau表达可以减少VGLUT1/2的表达（图5 C-E）。在KDM6B-KO神经元中，Tau-shRNA可以逆转KDM6B过表达引起的VGLUT1/2的增加（图5 F-I）。进一步的染色质免疫共沉淀实验（ChIP）显示Tau-shRNA减少了KDM6B在Slc17a6/7基因启动子部位的结合，进而增加了该部位的H3K27me3水平（图5 J-M）。以上结果表明tau通过募集KDM6B蛋白到Slc17a6/7基因启动子部位调节H3K27me3水平进而调控了VGLUT1/2的表达。

图5  Tau蛋白在KDM6B调节VGLUT1/2表达中起到协同作用

（图源：Wang, Yanan. et al., Mol Psychiatry, 2022）

图6 工作总结图：KDM6B协同Tau调节VGLUT/2表达进而影响突触可塑性

（图源：Wang, Yanan. et al., Mol Psychiatry, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究通过基因特异性敲除、动物行为学、RNA-seq、蛋白质谱分析、染色质免疫共沉淀、电镜和电生理等技术手段进行一系列的体内和体外实验，揭示了KDM6B及tau重要的生理学功能。该课题显示表观遗传学调节因子KDM6B先是被神经元富集蛋白tau募集到VGLUT1/2基因启动子区域，从而调节在该区域的组蛋白H3K27me3水平，调控VGLUT1/2蛋白表达，因此它对维持神经元树突棘数量，兴奋性神经递质传递活动等突触可塑性以及小鼠学习记忆和认知功能有着重要作用（图6）。这项工作为理解去甲基化酶KDM6B的功能提供了新的视野，为理解表观遗传学调节突触可塑性提供了新的依据。当然这项工作还有很多重要问题有待研究解决，比如，蛋白tau磷酸化在此调节过程中的作用， KDM6B在阿尔茨海默氏等退行性神经疾病或自闭症（autism）的作用。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41380-022-01750-0

通讯作者：王莹飞（右五）；第一作者：王亚楠（右一）

（照片提供自：德克萨斯大学西南医学中心王莹飞课题组）

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参考文献（上下滑动阅读） 

1. Bienvenu, T. and J. Chelly, Molecular genetics of Rett syndrome: when DNA methylation goes unrecognized. Nat Rev Genet, 2006.7(6): p. 415-26.

2. Levenson, J.M. and J.D. Sweatt, Epigenetic mechanisms in memory formation. Nat Rev Neurosci, 2005. 6(2): p. 108-18.

3. Duman, R.S. and S.S. Newton, Epigenetic marking and neuronal plasticity. Biol Psychiatry, 2007. 62(1): p. 1-3.

4. Nativio, R., et al., Dysregulation of the epigenetic landscape of normal aging in Alzheimer's disease. Nat Neurosci, 2018. 21(4): p. 497-505.

5. Burgold, T., et al., The H3K27 demethylase JMJD3 is required for maintenance of the embryonic respiratory neuronal network, neonatal breathing, and survival. Cell Rep, 2012. 2(5): p. 1244-58.

6. Park, D.H., et al., Activation of neuronal gene expression by the JMJD3 demethylase is required for postnatal and adult brain neurogenesis. Cell Rep, 2014. 8(5): p. 1290-9.

7. De Rubeis, S., et al., Synaptic, transcriptional and chromatin genes disrupted in autism. Nature, 2014. 515(7526): p. 209-15.

8. Stolerman, E.S., et al., Genetic variants in the KDM6B gene are associated with neurodevelopmental delays and dysmorphic features. Am J Med Genet A, 2019. 179(7): p. 1276-1286.

本文完