大阪大學研究生院生命機能研究科的博士生渥美友梨、菅生紀之特任副教授（專職）、中國的深圳灣實驗室-神經疾病研究所的山本亙彥客座教授的研究團隊發表研究成果稱，在單分子水平上闡明瞭人神經元内與學習和記憶有關的蛋白質和基因體DNA的動力學行為。該成果不僅可以促進對引發學習和記憶機制的詳細理解，還有望揭示神經精神病疾患的發病機制。相關成果已發表在《Cell Reports》上。
圖1.從人類ES細胞分化而來的皮質神經元的單分子成像（左上）顯示，當神經元活動被激活時，CREB會反復與特定基因位點結合（右上）。這些基因位點是CBP預定的組蛋白乙醯化位點（左下），RNAPII在這些位點聚集並誘導基因表現（右下）。虛線代表細胞核的輪廓。比例尺：50μm（左上），5μm（其他）。（供圖：大阪大學）
CREB（環磷腺苷效應元件結合蛋白）是神經元生存、分化、突觸可塑性等所必需的蛋白質。當受到刺激時，CREB會透過與特定的DNA序列結合，促進與學習和記憶相關的基因表現。還可以透過與CBP（初乳鹼性蛋白，一種珍稀蛋白）形成化合物，彙集RNA聚合酶Ⅱ（RNAPⅡ）引發基因表現。此外，CBP也是一種組蛋白乙酰轉移酶，被認爲在表觀遺傳調控中發揮作用。迄今爲止，研究人員已經利用生化方法研究了CREB的激活途徑和靶基因，但促進基因表現的空間時間間分子動力學尚未明確。另外，由於對這些分子機制的研究主要是在齧齒類動物中進行的，因此使用人類神經元的研究對於瞭解神經精神病疾患的病況必不可少。
爲了克服這些問題，研究團隊與比利時VIB-KU的Pierre Vanderhaeghen教授和岩田亮平研究員的團隊合作，建立了從人類ES細胞分化而來的大腦皮層神經元培養系統，使用僅照亮部分細胞核的傾斜照明顯微鏡對螢光標記的CREB和CBP在單分子水平進行了視覺化，仔細分析了空間時間間動力學。此外，研究團隊還與東京工業大學木村宏教授的團隊合作，嘗試了CREB和RNAPⅡ的起伏同步成像。最終，闡明瞭兩個步驟的分子機制。
首先，在神經活動發生之前，神經元的細胞核中就散布着被CBP組蛋白乙醯化的微小區域。在這些微小區域中，與學習和記憶相關的基因會做好準備，以便在神經活動發生時可以快速表達基因。
接着，當受到刺激時將作爲熱點，CREB會與CBP一起選擇性地與該基因的DNA序列在幾秒鐘内重複結合，由此引發活化型RNAPⅡ的積累並開始基因表現。
這兩個步驟表明上述是與學習和記憶有關的分子行為。
透過將這種成像方法與iPS細胞技術相結合，並將其應用於患者來源的細胞，有望進一步促進神經精神病疾患的病況闡明。
菅生特任副教授表示：「在這項研究中，作爲人類神經元響應刺激而控制基因表現的機制，我們使用核内單分子成像法成功地直接觀察到了蛋白質和基因體DNA在空間時間間上相遇的熱點的形成。該成果有望推動把學習、記憶和神經精神病疾患病況作爲‘分子行為’來理解。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Cell Reports (2023)
論文：Repetitive CREB-DNA interactions at gene loci predetermined by CBP induce activity-dependent gene expression in human cortical neurons
URL：www.cell.com/cell-reports/pdf/S2211-1247(23)01588-7.pdf
