記憶是人類適應(yīng)其生存環(huán)境所需要的最基本能力，也是人們最寶貴的財(cái)富。然而，每年有許許多多的人因?yàn)榘柶澓Ｄ。ˋD）或者意外事故而喪失記憶，對(duì)患者以及家人造成了嚴(yán)重的影響。那么有沒有辦法幫助這些人恢復(fù)喪失的記憶呢？

近日，來自麻省理工學(xué)院Picower學(xué)習(xí)與記憶研究所所長蔡理慧（Li-Huei Tsai）博士（就是上次成功用LED燈改善了小鼠阿爾茲海默病癥狀的MIT大牛）的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種有希望的方法。他們通過特異性阻斷大腦中的組蛋白去乙?；?（HDAC2）與轉(zhuǎn)錄因子Sp3的結(jié)合，成功的在神經(jīng)受損記憶喪失的小鼠腦內(nèi)，重新建立了突觸連接恢復(fù)了小鼠的記憶和認(rèn)知，并且不會(huì)產(chǎn)生副作用。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《細(xì)胞報(bào)告》雜志上（1）。

Tsai博士

很早之前，蔡教授就曾想過一個(gè)問題，人類記憶的喪失，到底是簡單的記憶丟失或者只是因?yàn)槿祟惖纳窠?jīng)或突觸受損，導(dǎo)致記憶無法被讀取。如果是后者，那么通過重建患者腦部的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也許可以幫助他們找回丟失的記憶。

而在2003年，意外的一個(gè)案例讓蔡教授找到了靈感。一名因車禍喪失意識(shí)近20年的男性，在經(jīng)過長期康復(fù)訓(xùn)練后重新獲得了記憶與運(yùn)動(dòng)以及認(rèn)知能力。隨后醫(yī)生發(fā)現(xiàn)，該男子在車禍中被切斷的神經(jīng)又重新建立的微小新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接起來了（2）。這也意味著，重建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能也有助于恢復(fù)人類喪失的記憶。

隨后蔡教授開始尋找可以幫助記憶喪失患者重塑神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。終于，在2007年的時(shí)候，蔡教授發(fā)現(xiàn)，模擬AD患者腦萎縮的基因工程小鼠在注射組蛋白去乙?；福℉DAC）抑制劑后，成功地恢復(fù)了小鼠喪失的記憶。表現(xiàn)為，小鼠成功的完成了在腦萎縮之前接受的任務(wù)訓(xùn)練，包括迷宮以及其他任務(wù)。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在當(dāng)年4月份的《自然》雜志上（3）。

然而，在實(shí)驗(yàn)過程中，蔡教授發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很嚴(yán)重的問題，HDAC抑制劑雖然可以幫助神經(jīng)損傷小鼠恢復(fù)突觸連接，但是同時(shí)也會(huì)造成很嚴(yán)重的副作用。之后，有學(xué)者對(duì)HDAC做了系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，改變HDAC的功能可以導(dǎo)致許多病理狀態(tài)，包括癌癥，心血管疾病和各種形式的神經(jīng)功能障礙（4）。

所以為了改善HDAC抑制劑的副作用，蔡教授開始了本次研究。此前，已有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，人體內(nèi)的HDAC存在著多種亞型，其中HDAC2與哺乳動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重塑密切相關(guān)（5），HDAC2通過將組蛋白去乙?；?，抑制DNA和核小體的解離，從而達(dá)到抑制相基因表達(dá)的效果。同時(shí)，敲除HDAC2基因同樣可以促進(jìn)突觸基因的表達(dá)，顯著恢復(fù)小鼠的記憶和認(rèn)知功能。此外，人們還發(fā)現(xiàn)，HDAC2水平在AD患者以及AD小鼠大腦內(nèi)都有明顯升高（6）。

但是，由于HDAC酶系的結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的相似性，目前還沒有人開發(fā)出特異性的HDAC2抑制劑（7）。除此之外，HDAC2本身還具有復(fù)雜的功能，不僅僅只參與突觸形成的調(diào)節(jié)，HDAC2蛋白不同的結(jié)構(gòu)區(qū)域還可以與其他不同的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合形成染色體結(jié)合復(fù)合物，調(diào)節(jié)其他信號(hào)通路（8）。這也意味著，要想特異性修復(fù)受損的神經(jīng)而不引起其他副作用，蔡教授需要找到與HDAC2特異性結(jié)合的參與突觸形成調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄因子，并抑制它們結(jié)合。

正常大腦與AD患者萎縮的大腦

為此，蔡教授使用加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）從187位健康人類死后公開的腦部基因表達(dá)數(shù)據(jù)，確定了可能與HDAC2協(xié)同工作的2282個(gè)基因。隨后通過基因本體分析以及成對(duì)相關(guān)性分析，最終發(fā)現(xiàn)了22個(gè)候選基因。包括已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的編碼DNA結(jié)合蛋白的基因，如Sp3，Tdp2，Sap30等等（9）。

由于HDAC2在體內(nèi)并不能直接結(jié)合DNA，因此蔡教授將注意力集中在可以結(jié)合DNA的蛋白質(zhì)（Sp3，Sap30和Tdp2）上。通過將短發(fā)夾RNA（shRNA），分別抑制HDAC2，Sp3，Sao30以及Tdp2基因在小鼠體內(nèi)的表達(dá)，蔡教授發(fā)現(xiàn)，抑制HDAC2和Sp3都可以增加小鼠原代神經(jīng)元的突觸興奮性，而抑制Sap30以及Tdap2沒有引起突觸變化。也就是說，負(fù)責(zé)與HDAC2結(jié)合調(diào)節(jié)突觸相關(guān)基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子很有可能就是Sp3。

為了進(jìn)一步確定這一點(diǎn)，蔡教授將對(duì)照組，HDAC2或者Sp3短發(fā)夾RNA轉(zhuǎn)導(dǎo)的小鼠原代神經(jīng)元進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。發(fā)現(xiàn)，抑制HDAC2或者Sp3引起的基因統(tǒng)計(jì)學(xué)變化顯著重疊，表明它們?cè)诠δ苌鲜窍嗨频模⑶疫@些變化的基因與突觸形成以及神經(jīng)元活性密切相關(guān)。

HDAC2與Sp3結(jié)合抑制核小體與DNA的解離，抑制轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合，從而抑制突觸相關(guān)基因的表達(dá)

隨后，蔡教授還對(duì)比了HDAC2以及Sp3基因敲除的小鼠與AD模型小鼠的基因表達(dá)區(qū)別。發(fā)現(xiàn)，HDAC2以及Sp3基因敲除后小鼠神經(jīng)細(xì)胞上調(diào)的基因，與AD小鼠神經(jīng)細(xì)胞下調(diào)的基因顯著重疊。

具體來說，突觸相關(guān)基因在AD小鼠體內(nèi)表達(dá)下調(diào)了，并被HDAC2和Sp3負(fù)調(diào)節(jié)。同時(shí)，研究人員還使用了染色質(zhì)免疫沉淀與定量多聚酶鏈反應(yīng)（ChIP-qPCR）確定，Sp3的確可以將HDAC2募集到突觸相關(guān)基因啟動(dòng)子附近共同調(diào)控突觸相關(guān)基因的表達(dá)。

而且，不僅AD小鼠腦內(nèi)的HDAC2和Sp3水平含量升高了，通過對(duì)13名健康人以及10名AD患者的腦部海馬神經(jīng)元的基因表達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，Tsai博士發(fā)現(xiàn)，AD患者腦部的HDAC2以及Sp3基因表達(dá)同樣被顯著提高了，而與突觸功能相關(guān)的基因也被顯著下調(diào)了。

最后，蔡教授還找到了修復(fù)AD小鼠受損神經(jīng)的方法。通過改造小鼠大腦的神經(jīng)元，使其表達(dá)特異性阻斷HDAC2與Sp3結(jié)合蛋白質(zhì)或者往小鼠腦內(nèi)注射靶向Sp3的短發(fā)夾RNA，可以使p25轉(zhuǎn)基因誘導(dǎo)的嚴(yán)重受損的小鼠海馬Schaffer側(cè)支回路恢復(fù)正常，并且，不會(huì)產(chǎn)生干擾正常細(xì)胞增殖等一系列副作用 。

總的來說，這一發(fā)現(xiàn)無疑是振奮人心的。因?yàn)椴探淌诘陌l(fā)現(xiàn)表明，即使大腦中已有大量的神經(jīng)元受損，重塑神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仍舊能夠找回“丟失”的記憶。這也意味著，即使在癡呆癥的晚期階段，認(rèn)知功能以及記憶也可以得到恢復(fù)。除此之外，其他一些涉及HDAC2水平升高的疾病，例如創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD）也可能從這一發(fā)現(xiàn)中獲益。

參考資料：

1.http://www./cell-reports/fulltext/S2211-1247(17)31023-9

2.http://news./2007/picower-team reverses-alzheimers-symptoms-mice

3. Fischer A, Sananbenesi F, Wang X, et al. Recovery of learning and memory is associated with chromatin remodelling[J]. Nature, 2007, 447(7141): 178.

4. Histone deacetylases and their inhibitors in cancer, neurological diseases and immune disorders.Falkenberg, K.J. and Johnstone, R.W.Nat. Rev. Drug Discov. 2014; 13: 673–691

5. An epigenetic blockade of cognitive functions in the neurodegenerating brain. Gr?ff, J., Rei, D., Guan, J.S., Wang, W.Y., Seo, J., Hennig, K.M., Nieland, T.J., Fass, D.M., Kao, P.F., Kahn, M. et al. Nature. 2012; 483: 222–226

6. c-Abl stabilizes HDAC2 levels by tyrosine phosphorylation repressing neuronal gene expression in Alzheimer’s disease. Gonzalez-Zu?iga, M., Contreras, P.S., Estrada, L.D., Chamorro, D., Villagra, A., Zanlungo, S., Seto, E., and Alvarez, A.R. Mol. Cell. 2014; 56: 163–173

7. Interaction of FUS and HDAC1 regulates DNA damage response and repair in neurons. Wang, W.Y., Pan, L., Su, S.C., Quinn, E.J., Sasaki, M., Jimenez, J.C., Mackenzie, I.R., Huang, E.J., and Tsai, L.H. Nat. Neurosci. 2013; 16: 1383–1391

8. Histone deacetylases and their inhibitors in cancer, neurological diseases and immune disorders. Falkenberg, K.J. and Johnstone, R.W. Nat. Rev. Drug Discov. 2014; 13: 673–691

9. Activity-induced DNA breaks govern the expression of neuronal early-response genes. Madabhushi, R., Gao, F., Pfenning, A.R., Pan, L., Yamakawa, S., Seo, J., Rueda, R., Phan, T.X., Yamakawa, H., Pao, P.C. et al. Cell. 2015; 161: 1592–1605