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对大脑遗忘机制的研究成果
记忆是大脑最重要的功能之一,也是人类研究最多的脑功能之一。记忆随时在发生,而遗忘如影随形。 海马体位于大脑丘脑和内侧颞叶之间,是负责记忆的编码和存储的一个重要脑区。在这里,记忆信息被编码于一些神经元中,称之为记忆印迹细胞。随着科学研究的发展,科研人员发现印迹细胞的重新激活是记忆提取的“发动机”,印迹细胞间的突触联系是储存记忆的“仓库”。 海马脑区中记忆是如何随着时间而消退的呢?这个问题在科学界一直没有得到充分的研究。经过3年多的努力,浙江大学医学院谷岩研究员课题组和王朗副研究员课题组首次发现,用于免疫的小胶质细胞通过清除突触而引起记忆遗忘,并且进一步发现补体信号通路参与了小胶质细胞介导的遗忘,并且依赖于记忆印迹细胞的活动。 这项研究,北京时间2月7日在国际顶级期刊《科学》在线发表。论文共同第一作者为医学院2016级博士生王超和2017级博士生岳惠敏,论文通讯作者为谷岩研究员和王朗副研究员。 遗忘被“遗忘”了 记忆与遗忘就像是一个硬币的两个面,不可分割。但是长期以来,科研人员对人脑记忆的产生、储存、调取始终表现出浓厚的兴趣,研究也比较深入,但对于遗忘这一现象关注的就不是很多。就算是讨论记忆丢失的原因,也多是从记忆存储和调取过程中出现问题这个角度来考虑。 遗忘被“遗忘”了。不过,谷岩倒是对这个问题很好奇,他开玩笑说:“我自己记性差,所以对遗忘方面的研究很感兴趣。” 如何算出记忆保留了多少?课题组在小鼠记忆遗忘实验中用的是经典的条件恐惧记忆行为学模型。科研人员通过在一个场景中给小鼠施加电击刺激,使其建立对这个环境的记忆。在35天后,让受过电击的小鼠再次重返这一场景中,看小鼠是否会回想起电击的痛苦进而表现出害怕。  “这个行为学范式本来是用来检测恐惧行为的记忆的,但换一个角度看就是遗忘”,谷岩介绍,正常的小鼠对于环境总是充满好奇四处活动,但是如果留有恐惧记忆,它就会因为害怕而呆在那里不动(即freezing状态),“我们就通过计算单位时间内小鼠处于静止不动的时间,来衡量小鼠记忆保留的情况。”图1. 记忆的遗忘随着时间而逐渐发生。研究人员发现,训练35天后,小鼠freezing的时间显著低于5天时的检测结果,表明时间越久,记忆的遗忘越显著。 像“探案”一样做研究 从小鼠的实验中,研究人员发现,记忆随着时间的推移而消退。记忆在海马中提取的主要途径,是通过编码这些记忆信息的记忆印迹细胞的激活。通过标记记忆印迹细胞,研究人员发现,遗忘的同时伴随着印迹细胞的激活率的下降。那么是什么导致了印迹细胞激活率的下降?研究人员关注到大脑中的另一种细胞——小胶质细胞。 小胶质细胞约占大脑细胞总数的10-15%左右。此前科学家已经明确,小胶质细胞是中枢神经系统中的主要免疫细胞。当大脑受伤感染,细菌进入皮层后,小胶质细胞作为重要的“防卫兵”负责“抵御杀敌”。越来越多的研究表明,小胶质细胞不仅参与神经系统的免疫调控,而且对于神经系统发育、神经元活动以及神经环路功能都有重要的调节作用。 研究人员特异性地清除了脑内的小胶质细胞,发现不仅遗忘被抑制了,同时印迹细胞的重新激活率的下降也被抑制了。“这个发现其实非常偶然,我们将清除小胶质细胞的小鼠进行了一系列的实验,包括记忆的形成和提取、焦虑等,但结果对记忆遗忘的影响非常显著。”去除小胶质细胞的小鼠的恐惧反应要比对照组更加明显,处于静止状态的时间是对照小鼠的2倍 多。为此,课题组继续深入开展实验,并发现当清除小胶质细胞时,记忆印迹细胞的激活不再出现明显的下降。图2. 清除小胶质细胞抑制了遗忘。A-B:用CSF-1抑制剂PLX3397(PLX)特异性清除小胶质细胞后,小鼠的遗忘被抑制了。C-D:PLX抑制了伴随遗忘的印迹细胞激活率的下降。 既然小胶质细胞确实影响了记忆印迹细胞的激活,并导致了遗忘,那么它们又是如何引起了印迹细胞激活率的下降呢?是不是通过破坏记忆印迹细胞之间的信息传递呢?此前的研究表明,小胶质细胞能够清除婴幼儿大脑发育中过多的突触,并调节神经元之间突触连接的动态变化。那么在成年的大脑中,小胶质细胞是否也具有同样的功能呢? 因此研究人员继续破案,通过免疫染色和高分辨率成像,他们发现海马的小胶质细胞“肚子”里,存在着突触特异性的成分,如位于突触前的synaptophysin分子和位于突触后的PSD95分子,并且与小胶质细胞中的溶酶体共定位(共定位:两个蛋白位于同一空间位置的细胞学佐证),表明成年海马中的小胶质细胞仍然具有“吃掉”突触结构的能力。当抑制小鼠的小胶质细胞吞噬作用时,记忆的遗忘被显著阻断。这些结果表明小胶质细胞通过“吃掉”突触而介导了遗忘。图3. 在小胶质细胞中发现了突触特异性成分,如突触前蛋白synaptophysin(Syn,A)和突触后蛋白PSD95(B),并且与小胶质细胞的溶酶体标记物Lamp1共标。 遗忘的机制始于分子的“导航” 研究人员发现,记忆在印迹细胞组成的这条“公路”上激活传递,这其中记忆印迹细胞之间的突触不仅是公路间相联系的“桥梁”,而且也是储存记忆的“仓库”。小胶质细胞就像是“拆迁队”, 把“桥梁”给拆掉了,储存在其中的记忆信息也就无法继续传递下去,最终导致了记忆遗忘。 那么具体是什么分子机制让本来是大脑“防卫兵”的小胶质细胞“兼职”成为了“拆迁队”了呢?研究人员通过高分辨率显微镜发现补体分子C1q不仅与印迹细胞的一些树突棘共定位,还与PSD95一起存在于小胶质细胞溶酶体中,这提示补体信号通路可能介导了小胶质细胞对记忆印迹细胞突触的清除。 研究人员通过对比,发现在印迹细胞中阻断补体信号通路可以十分有效地抑制记忆的遗忘和印迹细胞激活率的下降。而C1q-补体信号通路就像是猎人的小狗,寻找并在记忆印迹细胞的一些突触做上标记,这样小胶质细胞就像有了导航图一般,可以瞄准目标展开攻击,一吃一个准。 “复习不易忘”有了科学依据 生活中的一个常识,学习了一个新知识,假如总是复习,就不容易遗忘,而不去复习的话很快就会忘记。 研究人员通过实验证明了这一点。课题组特异性地在记忆痕迹细胞中导入了药理遗传学受体,通过注射药物CNO后,可以选择性抑制记忆印迹细胞的活动,让它们没有那么兴奋。这个时候研究人员发现,记忆的遗忘被加速了,就像不复习就容易遗忘。而这种加速的遗忘也可以被清除小胶质细胞或者阻断补体通路所抑制。 从另一个角度来看,复习就是让记忆印迹细胞和相应的突触联系更加活跃,好像把突触这座桥梁用钢筋混凝土加固了一样。而如果不复习,“桥”就会年久失修,就会被小胶质细胞这个“拆迁队”识别并拆除。 小胶质细胞的突触清除可能是介导遗忘的一种普遍机制 海马的齿状回可以不断产生新生的神经元,称之为神经发生(neurogenesis)。根据此前《科学》杂志报道,齿状回中持续产生的新生神经元的整合会导致海马神经环路中大量突触的重组与替换,从而导致先前建立的记忆被遗忘,尤其是在婴儿期。为了找出小胶质细胞介导的遗忘和神经发生介导的遗忘之间的关系,研究人员同时操纵了海马神经发生和小胶质细胞,发现小胶质细胞介导的突触清除既参与了神经发生引起的遗忘,也参与了和神经发生无关的遗忘。因此,小胶质细胞的突触吞噬作用可能是在有神经发生的大脑区域,或缺乏神经发生的哺乳动物大脑中介导遗忘的一种更为普遍的机制。 谷岩表示,随着研究的深入,未来可能对疾病导致的记忆损伤和记忆丢失有更清楚的理解。从长远来看,这项工作也为研究长期记忆的巩固和不良记忆的消除提供了前瞻性的基础铺垫。
浙江大学 2021-04-10
揭示lncRNA调控肿瘤免疫新机制
发现了长非编码RNA NKILA能促使肿瘤特异T细胞被诱导凋亡,以至于不能开“猛火”攻打肿瘤。研究还提示,可在体外将T细胞中的NKILA敲除,从而保证回输到体内的T细胞的“火力”,增强免疫治疗的效果。 研究团队在体外对T细胞进行了修饰,沉默了NKILA的表达,再将T细胞回输至患了乳腺癌的小鼠模型体内,NF-κB通路便会维持在激活状态。他们发现,如此一来肿瘤内的T细胞明显增多,被杀伤的肿瘤细胞增多,肿瘤明显缩小。
中山大学 2021-04-13
中药活性成分黄芩苷抗脂机制
通过对黄芩苷分子进行化学衍生化从而获得了与天然黄芩苷具有相似生物活性的光交联分子探针,并利用定量化学蛋白质组学技术来寻找黄芩苷在细胞内的直接药效靶点。他们发现与黄芩苷相互作用的靶标蛋白在脂肪代谢通路中高度富集,尤其线粒体脂肪酸β-氧化的限速酶CPT1A引起了他们的格外关注。通过RNA干扰敲低CPTA的表达水平后,细胞丧失了对黄芩苷降脂活性的响应,暗示这个蛋白是黄芩苷作用机制通路中的一个关键蛋白。通过定量小分子质谱建立了CPT1A的酶活检测体系,最后发现黄芩苷可以明显激活CPT1A的活性,从而达到加速脂肪酸降解的过程。
北京大学 2021-04-11
森林群落生物多样性维持机制
该研究依托我校“广东黑石顶地带与非地带性森林生态系统教育部野外科学观测研究站”,结合长达10年的森林固定监测样地和幼苗样方调查数据,并开展了大型幼苗移栽实验,通过在野外自然条件下精确控制菌根菌丝网络与幼苗的相互作用,揭示了森林林下土壤中菌根真菌组成的地下高速网络 (the “wood-wide web”) 通过连接母树和同种幼苗,进而实现母树对幼苗生长存活和抗病性的显著促进作用。同时,该研究通过比较外生菌根真菌ECM和丛枝菌根真菌AM所组成的地下菌根网络作用的差异性,阐明了亚热带森林中不同类型菌根树种相对多度和群落结构的成因。明确揭示了邻体母树通过地下菌根网络促进同种幼苗更新的关键作用,并阐明了不同类型菌根植物稳定共存和群落动态的形成机制。相关成果不仅完善了现有的生物多样性形成和维持的理论体系,还为生物多样性保护和亚热带森林的保育提供了重要的理论基础。       本研究发现外生菌根真菌与寄主植物的互利共生关系显著促进了幼苗的适合度,最终形成冠层优势种。
中山大学 2021-04-13
揭示光系统II生物发生调控机制
 通过系统筛查,研究人员鉴定到一个高等植物特有的PSII生物发生调控因子——LPE1(LOW PHOTOSYNTHETIC EFFICIENCY 1)。通过生理学、分子生物学、生物化学和遗传学等手段研究发现,LPE1基因突变导致PSII活性剧烈降低,PSII生物发生严重受阻;同时光PSII核心蛋白D1的合成明显受损。值得注意的是,LPE1编码一个叶绿体PPR蛋白,直接与D1编码基因psbA mRNA的5'UTR结合,从而招募核糖体并启动D1蛋白的翻译。更重要的是,LPE1同时与已知的D1翻译因子HCF173(HIGH CHLOROPHYLL FLUORESCENCE 173)互作,促使HCF173与psbA mRNA结合,协同参与调控PSII生物发生。       更有趣的是,该研究发现光可以诱导D1蛋白的表达,并且主要在翻译水平实现控制。光诱导结合实验分析发现,光可以促进LPE1与psbA mRNA的5'UTR结合。进一步研究发现,光可能通过改变叶绿体中的氧化还原状态,调节LPE1的分子内二硫键及蛋白结构,从而影响其与psbA mRNA的结合活性。       该工作首次鉴定到高等植物中D1翻译调控过程中psbA mRNA的直接结合因子,揭示了PSII生物发生的光调控机制,对于理解植物光合作用与生长发育调控机理具有重要的理论价值。
中山大学 2021-04-13
在真核生物的翻译调控机制
发现20年以来的第一个晶体结构,证实SLFN是一个新型的核酸内切酶家族,通过破坏蛋白翻译机器调控真核生物的翻译进程,能够有效控制HIV病毒的复制和包装。课题组人员还提出了对真核生物在应激状态下翻译调控机制的见解,并进一步阐明了SLFN家族可能的抗肿瘤机制,为SLFN的临床应用奠定了基础。 课题组解析了SLFN13的N端结构域(SLFN13-N)的三维晶体结构,揭示了其独特的U型枕样的类二聚体折叠,可分为N端部分(N-lobe),C端部分(C-lobe)和中间连桥部分(bridge domain,BD)。SLFN13-N的U型凹槽可以识别tRNA/rRNA分子碱基配对的RNA结构,由三个酸性氨基酸组成的催化三联体执行酶切。体外酶切实验发现SLFN13可以在tRNA的3’端酶切11 nt,即tRNA 3’接收臂的末端,这是真核生物中第一个被鉴定可以在该位置酶切的核酸内切酶。过表达后细胞质定位的SLFN13可以酶切细胞内的成熟的tRNA和rRNA,破坏蛋白质翻译机器,进而抑制细胞中的蛋白合成,降低细胞代谢水平。SLFN13还展现了酶活依赖的多阶段多层次的高效HIV病毒监管方式。因此,课题组将SLFN13命名为RNA酶S13。同时,研究人员提出了对真核生物翻译机制调控的见解,认为SLFN对肿瘤细胞增殖的抑制很可能是通过破坏细胞内蛋白翻译机器或调控其它关键核酸底物的活性进而调控细胞代谢水平来实现。
中山大学 2021-04-13
一种分子体积计算方法及两分子的形状比较方法
本技术成果为一种分子体积计算方法及两分子的形状比较方法,旨在解决现有技术计算分子体积时间 较长、精度不高的问题。本技术成果通过使用高斯函数来表达一个分子中的各个原子的体积,同时给予每 个高斯函数一个权重因子(该因子与原子所处的环境相关),不仅降低了分子的三维形状定量比较的计算 复杂度,更提高了计算精度。
中山大学 2021-04-10
高灵敏生化分子检测系统
近年来,食品安全、环境污染、大规模传染性疾病等威胁到人类身体健康和生命安全的问题频发,社会各界高度关注。应对这些影响人类健康和生命安全的社会公共问题,发展快速高灵敏的检测技术显得尤为重要。我们研究组长期从事生物芯片检测技术研究,可以在直径为3~5英寸基片上生长出均匀的纳米基底,适于大规模生产,其表面增强拉曼光谱(SERS)的增强因子高达十的九次方。生产出的基片重复度高,可用于生化分子检测快捷(检测时间小于1分钟)。几年来,我们开发出了一系列不同的基底和检测平台,并将其用于病毒、病菌、毒素和药物等的检测,取得了多项美国专利,可弥补国内生物检测芯片发展缓慢的不足
江苏师范大学 2021-04-11
化学小分子诱导细胞重编程
邓宏魁研究团队开创性地建立了化学小分子诱导细胞重编程的新体系,提供了细胞命运调控的新手段,突破了功能细胞制备的关键瓶颈,为再生医学治疗重大疾病开辟了新的理想途径,是我国在该领域前沿的标志性重大成果。
北京大学 2021-02-22
电-分子除油“永动机”技术
已有样品/n该项目提供了电-分子除油“永动机”最新专利技术及装置。在装置 中通过一种“中间介质”,通过分子吸附把工件上的油污脱下来,而该 “中间介质”又可以采用电还原的方式,还原为原来的介质,最终达到 不断循环使用。整个过程不需要任何脱脂剂和其它除油剂,零排放,完 全环保。成本约 0.0001 元/平米。工件在不断除油的同时,脱下来的油 污可以不断收集,销售给上游厂家。整个过程就仿佛一台“永动机”: 带油污的工件进入装置=除油后的工件+油污分别出来。 市场前景:各类电镀厂、热镀厂、小五金厂、机械厂、
湖北大学 2021-01-12
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