長時(shí)記憶的形成（long-term memory formation）是哺乳動物適應(yīng)環(huán)境變化、智力發(fā)展所必需的，對于人類的社會活動尤其重要。大腦的海馬體是人類形成長時(shí)記憶的主要物質(zhì)載體1。一些參與記憶形成的基因（如Arc, c-Fos, Egr1, Npas4, Nr4a1等）可以激活下游的神經(jīng)營養(yǎng)因子介導(dǎo)突觸可塑性（生信寶典之傻瓜式(六)查找轉(zhuǎn)錄因子的靶基因），但關(guān)于記憶形成過程的調(diào)控因素與機(jī)制仍存在很多未知。
N6-甲基腺嘌呤（m6A）是哺乳動物細(xì)胞中mRNA上最為普遍的修飾，主要由METTL3/METTL14/WTAP復(fù)合物催化形成，其中METTL3是催化m6A形成的關(guān)鍵甲基轉(zhuǎn)移酶2。2017年至2018間，有三篇文章先后發(fā)表在Cell，NatureNeuroscience與PLOS Biology （王秀杰老師組文章，見王秀杰研究組合作發(fā)現(xiàn)m6A修飾在小腦發(fā)育中的新功能 （附2018上半年m6A研究文章和點(diǎn)評））上，利用胚胎發(fā)育期敲除METTL14或METTL3的小鼠模型，分別揭示了m6A缺失對大腦皮層發(fā)育、神經(jīng)干細(xì)胞自我更新以及小腦發(fā)育存在顯著影響3-5，然而，由于上述工作獲得的基因敲除小鼠神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷，通常在斷奶期前后死亡，所以m6A修飾在成體神經(jīng)系統(tǒng)中的功能仍不清楚。
The Journal of Neuroscience曾在2016年發(fā)表研究稱小鼠前額葉中m6A豐度會隨著學(xué)習(xí)訓(xùn)練增加，提示m6A修飾與小鼠記憶形成具有一定相關(guān)性6。然而該研究主要是圍繞FTO展開的。由于FTO在細(xì)胞內(nèi)存在非m6A修飾相關(guān)的功能，因此m6A修飾是否調(diào)節(jié)記憶形成及其分子機(jī)制仍不明確。（FTO是很有意思的基因，之前被認(rèn)為跟肥胖相關(guān)。后來發(fā)現(xiàn)是FTO內(nèi)含子的突變與IRX3的表達(dá)有關(guān)，IRX3才是調(diào)節(jié)脂肪和肥胖的關(guān)鍵。）
10月8日，中國科學(xué)院遺傳發(fā)育與生物學(xué)研究所的王秀杰研究組聯(lián)合中國科學(xué)院北京基因組研究所的楊運(yùn)桂研究組系統(tǒng)闡明了m6A修飾在學(xué)習(xí)過程中對長時(shí)記憶形成的調(diào)節(jié)作用及其相應(yīng)的分子機(jī)制。成果發(fā)表在Cell Research雜志METTL3-mediated m6A mRNA modification enhances long-termmemory consolidation。
該研究利用CaMKIIα-Cre特異性地在乳鼠的皮層及海馬區(qū)中敲除Mettl3，系統(tǒng)研究了m6A缺失后對成體神經(jīng)功能的影響。Cre/LoxP系統(tǒng)可以時(shí)空特異的控制基因的失活。CaMKIIα啟動子只在前腦有活性，二者結(jié)合可用于腦中特異性的失活基因。
與Nestin-Cre （胚胎期特異性地在神經(jīng)系統(tǒng)敲除，Nestin是神經(jīng)干細(xì)胞的Marker）介導(dǎo)的METTL3/METTL14敲除小鼠的致死表型不同，成體腦中缺失m6A并不影響小鼠的成長、體重、生育能力及大腦結(jié)構(gòu)。行為上，敲除小鼠具有正常的運(yùn)動能力、探索能力、趨觸性、焦慮水平甚至短時(shí)記憶能力。
利用Morris水迷宮與條件性恐懼記憶檢測并結(jié)合突變-回補(bǔ)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：m6A水平正向調(diào)控了小鼠的空間學(xué)習(xí)能力，缺失或增加m6A修飾（敲除或過表達(dá)METTL3）的小鼠分別表現(xiàn)出明顯的學(xué)習(xí)能力下降或上升。有意思的是，在給予足夠訓(xùn)練的前提下，上述由m6A豐度決定的學(xué)習(xí)能力差異并不影響小鼠的最終學(xué)習(xí)結(jié)果，換句話說，當(dāng)訓(xùn)練次數(shù)足夠多時(shí)，所有小鼠都展示了水平相當(dāng)?shù)摹俺煽儭保罕M管在訓(xùn)練初期存在差異，但經(jīng)過5天水迷宮訓(xùn)練或三次足部電擊后，m6A缺失或增加的小鼠與各自對照相比都呈現(xiàn)了相似的學(xué)習(xí)水平，說明通過METTL3調(diào)節(jié)m6A豐度可以影響小鼠學(xué)習(xí)速度的快慢，卻并不能決定最終小鼠長時(shí)記憶是否形成。（ggplot2高效實(shí)用指南 (可視化腳本、工具、套路、配色)繪制如下靚圖）
與上述現(xiàn)象相對應(yīng)的，m6A缺失并不會影響神經(jīng)元的興奮性、信號傳遞以及短時(shí)程可塑性（short-term plasticity）等基本電生理特征，而是造成了神經(jīng)回路中長時(shí)程增強(qiáng)（long-term potentiation）作用的減弱 （長時(shí)程增強(qiáng)作用，又稱長期增益效應(yīng)（Long-term potentiation，LTP）是發(fā)生在兩個(gè)神經(jīng)元信號傳輸中的一種持久的增強(qiáng)現(xiàn)象，能夠同步的刺激兩個(gè)神經(jīng)元。這是與突觸可塑性——突觸改變強(qiáng)度的能力相關(guān)的幾種現(xiàn)象之一。由于記憶被認(rèn)為是由突觸強(qiáng)度的改變來編碼的，LTP被普遍視為構(gòu)成學(xué)習(xí)與記憶基礎(chǔ)的主要分子機(jī)制之一）。
研究進(jìn)一步比較了在早期學(xué)習(xí)過程中小鼠海馬體的m6A修飾甲基化譜及基因表達(dá)譜的變化，發(fā)現(xiàn)m6A修飾在學(xué)習(xí)過程中是動態(tài)變化的，但其缺失并不會顯著影響學(xué)習(xí)過程中的基因表達(dá)豐度。
長時(shí)記憶形成同時(shí)依賴于基因的轉(zhuǎn)錄與新蛋白的合成，其中一類基因能夠在很短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)外界環(huán)境刺激并進(jìn)行特異性的表達(dá)翻譯，故被稱為早期響應(yīng)基因（immediate-early genes）7。相關(guān)基因的敲除動物研究表明，缺失早期響應(yīng)基因會對神經(jīng)回路長時(shí)程增強(qiáng)及小鼠長時(shí)記憶形成造成障礙7。研究發(fā)現(xiàn)，對照誘導(dǎo)組中，早期基因（Arc，Egr1，c-Fos，Npas4，Nr4a1）在訓(xùn)練半小時(shí)后快速誘導(dǎo)上調(diào)。單堿基分辨率的 miCLIP-m6A-seq鑒定出這些基因的m6A修飾水平上升。而在m6A缺失的小鼠海馬體中，雖然早期基因（Arc，Egr1，c-Fos，Npas4，Nr4a1）能夠被正常誘導(dǎo)表達(dá)，其蛋白豐度要顯著低于對照小鼠；進(jìn)一步分析表明，在誘導(dǎo)興奮的神經(jīng)元中，m6A修飾豐度正向調(diào)控了早期響應(yīng)基因的蛋白豐度，提示m6A修飾通過提高早期響應(yīng)基因的翻譯效率來調(diào)控小鼠學(xué)習(xí)速度。
進(jìn)一步地，研究發(fā)現(xiàn)野生型小鼠的水迷宮學(xué)習(xí)能力與其海馬體的本底METTL3蛋白豐度呈現(xiàn)中度正相關(guān)的關(guān)系，能在短期內(nèi)完成水迷宮測試 （Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)是一種強(qiáng)迫實(shí)驗(yàn)動物（大鼠、小鼠）游泳，學(xué)習(xí)尋找隱藏在水中平臺的一種實(shí)驗(yàn)，主要用于測試實(shí)驗(yàn)動物對空間位置感和方向感（空間定位）的學(xué)習(xí)記憶能力）的小鼠的海馬體內(nèi)METTL3蛋白豐度要顯著高于不能完成測試的小鼠，提示m6A修飾豐度的差異可能是造成個(gè)體學(xué)習(xí)能力差異的原因之一。值得關(guān)注的是，上述差異在長期訓(xùn)練后的行為學(xué)表現(xiàn)分組中并不存在，說明記憶能力的差異可以被多次學(xué)習(xí)鞏固所彌補(bǔ)。由此可見，“勤能補(bǔ)拙”具有生物機(jī)制方面的合理性。
該研究中使用到的Mettl3flox/flox小鼠由中國科學(xué)院動物研究所周琪院士提供；小鼠METTL3條件性敲除、敲除動物表型鑒定、行為學(xué)分析、神經(jīng)電生理分析、生物信息學(xué)數(shù)據(jù)分析以及分子機(jī)制研究主要由文章的共同第一作者——王秀杰研究組的博士研究生張澤宇與副研究員王猛合作完成；中國科學(xué)院北京基因組所楊運(yùn)桂研究員為研究提供了合作指導(dǎo)，該組副研究員楊瑩進(jìn)行了小樣本量m6A修飾單堿基測序建庫。點(diǎn)擊閱讀原文獲取文章原文。
王秀杰老師1998年獲南開大學(xué)生物學(xué)專業(yè)學(xué)士學(xué)位, 2000年獲香港科技大學(xué)生物化學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位, 2004年6月獲洛克菲勒大學(xué) (The Rockefeller University) 生物信息學(xué)專業(yè)博士學(xué)位, 同年在洛克菲勒大學(xué)從事博士后研究。2004年12月加入中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所。入選中科院“百人計(jì)劃”和中組部“萬人計(jì)劃領(lǐng)軍人才”。
現(xiàn)任國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家。擔(dān)任 RNA Biology, BMC Genomics, Journal of Genetics and Genomics 等雜志編委。兼任第十二屆中華青年全國聯(lián)合會科學(xué)技術(shù)界別工作委員會副主任委員、第五屆中國青年科技工作者協(xié)會常務(wù)理事、中國細(xì)胞生物學(xué)學(xué)會功能基因組信息學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)分會副會長等職務(wù)。
研究方向?yàn)樯镄畔W(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)，重點(diǎn)關(guān)注非編碼RNA和表觀遺傳修飾相關(guān)的功能與機(jī)制。
王秀杰老師研究組還開發(fā)有GOEAST，最好用的在線GO富集分析工具和psRobot：植物小RNA分析系統(tǒng)，都是絕好的工具。2015年在Cell Stem Cell發(fā)表封面文章闡釋miRNA對m6A修飾的調(diào)控和m6A在重編程過程中的作用 （ m6A RNA methylation is regulated by microRNAs and promotes reprogramming to pluripotency）。
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