创新分子生物学方法　揭示学习与记忆原理——管吉松研究员

2017-10-13

清华大学生命科学学院管吉松研究员长期从事学习与记忆的生物学机制研究，运用各种先进光学方法，测量生物脑内学习相关的神经元环路活动，运用数据分析与建模方法研究大脑皮层的学习与记忆法则，并与相关研究组合作发展新型高效的类脑认知算法研究。通过分子生物学工具，结合双光子活体标靶成像技术与光遗传技术，测量全脑尺度具有单个神经元解析度的学习记忆活动图谱及其功能机制。研究成果先后在《自然》《细胞》》《神经元》《美国科学院院报》等期刊上发表共计16 篇。他带领研究团队独立发展了新的神经生物学技术方法，在国际上首度开展了大脑皮层环路水平的长期记忆研究。

一、表观遗传调控在学习记忆中的作用研究

发现并阐明了表观遗传调控因子对学习记忆的重要贡献。其中HDAC2 特异地在学习记忆中调控基因表达并调节神经细胞可塑性的发现为长时程记忆的存贮机制奠定了新的基础，为开发新型药物治疗神经退行性疾病导致的记忆缺失提供了理论依据。 此研究工作发表在《自然》后被“千名医学家”（F1000 ）评分11，评为必读文章。在此之后，他又开展了一系列研究工作，进一步阐述了表观遗传调控因子对学习记忆调控的机制并在《自然》发表了两篇文章。以此为基础，在针对HDAC2 的应用研究中发现HADC 的小分子抑制剂，并提出了以 HDAC2 为代表的表观遗传调控因子作为药物靶点治疗神经退行性疾病相关的认知障碍以改善脑的功能的观点。

二、长期记忆的环路储存机制的研究

管吉松研究员致力于解决记忆的储存机制及感觉信息在记忆改变的大脑皮层内的加工处理机制。采用创新的活体动物光学成像技术，可以大大提高皮层内神经元电活动信号的采集数量与在体记录时间，目前同时记录的神经元数量约2 万多个，稳定记录时间长达数月。运用这一方法，揭示出特异性场景的记忆信息储存在少量的皮层II 层神经元中。这一发现突破了“突触-记忆”无法观测的难题，使得针对特定记忆的神经网络形成的过程与机制的研究成为可能。这项研究成果的意义重大，它使得对脑内神经元活动的记录进入超大规模细胞环路水平，能够真正从整体上测量外界信息诱发的活体动物中脑内神经元解析度的动态活动情况，从而使得解析生物脑的信息加工机制成为可能。研究所采集的生物大数据同时也可以为信息学、计算神经生物学提供大规模网络活动的研究材料。其中小部分阶段性成果2014 年发表在PNAS上，据PNAS 网站统计，其关注程度被排在同期发表文章的最高5%之中。与此同时，该团队通过与清华信息学院以及德国汉堡大学的合作，采用一系列的模型分析和计算机程序，归纳出了基于生物神经认知识别的理论模型，正在努力尝试将其运用于探索神经生物学与人工智能领域的融合，以及基于神经计算原理的工程运用，部分内容已在PNAS上发表。

三、长时程记忆的表观遗传学调节机制研究

表观遗传学参与调控了记忆的形成、巩固（consoli-

dation）和再巩固（reconsolidation）。然而目前并不清楚在特定神经网络中，神经元活动是通过何种信号通路实现下游特定的表观遗传修饰变化的。在国家973计划项目（课题编号：2006CB806604）和国家自然科学基金面上项目（编号：31171008）的资助下，管吉松团队发现在特定海马记忆印记细胞（memory Engram cell）中，学习造成的神经元活动能够引起长时间维持的表观遗传修饰变化。这种表观遗传修饰调控了网络中神经元在兴奋后产生的neurexin1可变剪接位点4的剪接变化，从而抑制了该神经网络与其他神经元的再连接能力，因此保护了网络中记忆的完整性。神经元活动激活了腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）通路从而磷酸化了p66α，结合在neurexin1可变剪接位点4的p66α在磷酸化后进一步招募了表观遗传调控因子HDAC2和Suv39h1，这两种表观调控因子进而在可变剪接位点4的基因组区域建立了抑制性的表观遗传修饰，通过影响转录依赖的剪接过程使得可变剪接位点4的包含率上升。在Suv39h1敲除小鼠中，神经元兴奋无法引起长时程可变剪接变化，小鼠已经形成的记忆稳定性也出现相应下降。研究发现学习引起的神经元兴奋会伴随主动的记忆保护过程，参与记忆编码的神经元通过表观遗传调控降低自身再连接能力，从而保证所储存记忆的稳定性。还发现HDAC2参与的记忆调节过程与阿尔兹海默症相关。在p25模型小鼠与AD病人的脑组织切片中均发现HDAC2的表达升高现象。人工敲低HDAC2的表达或者用HDAC2选择性的抑制剂，可以在修正脑内表观遗传修饰的基础上部分恢复了脑的正常学习功能。这样，这一研究为表观遗传修饰参与记忆的机制奠定了基础，也指出了HDAC2有可能参与疾病治疗。

四、表观遗传学在神经活动依赖的转录调控中的机制研究

神经元兴奋依赖的转录调控和突触可塑性是密切相关的。管吉松团队发现在体外培养的原代皮层神经元中，短暂的神经活动能够在24小时之后显著降低Nrxn1α的转录水平。为了更深入地阐述其中的调控机制，他们在设计能够特定识别Nrxn1α启动子的锌指蛋白后，通过下拉实验分离并纯化Nrxn1α启动子区染色质及相结合的表观遗传因子。将分离得到的产物进行高分辨质谱分析，发现负责组蛋白H3K36二甲基化修饰（H3K36me2）的表观遗传因子Ash1L能特异性地结合Nrxn1α启动子区，并且伴随着神经活动引起的Nrxn1α转录抑制，神经活动同样能引起Ash1L及H3K36me2修饰在Nrxn1α启动子区的富集。

为了进一步探究Ash1L在抑制Nrxn1α转录过程中的关键作用，研究团队利用CRISPR/Cas9技术构建了Ash1L敲除小鼠，发现Ash1L的表达在敲除小鼠中显著降低，并导致Nrxn1α启动子区H3K36me2修饰下降以及Nrxn1α转录水平升高。最为重要的是，在Ash1L敲除的神经元中，神经活动对Nrxn1α转录的抑制作用被完全解除，这表明Ash1L通过引起Nrxn1α启动子区H3K36me2修饰，介导了神经活动依赖的Nrxn1α转录抑制过程。这项研究为深入认识表观遗传学机制在调节神经活动依赖的转录调控以及突触可塑性过程中的作用提供参考。

专家简介

管吉松，清华大学生命科学学院研究员，博士生导师，清华-IDG麦戈文脑科学研究院成员，清华大学类脑计算研究中心成员。兼任中国神经科学学会理事、中国细胞生物学会认知神经生物学分会委员。研究方向为学习记忆的神经生物学机制、神经环路、神经计算。曾获2005年谈家桢基金九源奖学金一等奖、2006年中国科学院优秀博士论文奖，获评2015年北京市科技新星，2015年入选中国“万人计划”青年拔尖人才。