表观遗传学

2013年8月25日消息——亚拉巴马州大学伯明翰分校（UAB）今天在《自然神经科学》期刊上发表了一项研究成果，披露了脑部神经细胞快感记忆方式的关键细节。形成这些“奖赏记忆”的分子运动看来与药物成瘾不同，尽管流行的理论认为成瘾劫持了正常的奖赏通路。
脑部回路迄今发生的进化目的是把快感与其相联，鼓励被证明是帮助人类生存的行为。油腻食物口感好是因为能提供能量；性行为受到欢迎是因为能创造后代。同样的系统也把我们思维中的环境线索与实际的快感联系起来，形成奖赏记忆。
对老鼠进行的这项研究支持了下述观点：典型的哺乳动物大脑分几种记忆类型，每种都使用不同的回路，对记忆按照需要进行存取和整合。古老的记忆类型包括提醒我们什么可怕、要找到什么（奖赏）、如何移动（运动记忆）以及导航（地点记忆）等。新近形成的记忆类型令我们能够记住哥伦布起航的年份以及我们的结婚日。
“我们认为，奖赏记忆也许是良好模型，可以用来理解许多学习和记忆类型背后的分子机制”，戴维·斯维特（David Sweatt）博士表示。斯维特博士现任UAB神经生物学系主任、UAB伊夫林 F 麦肯奈特大脑研究所长以及本研究的通讯作者，他说：“我们的结果是奖励—学习机制理解领域的一个飞跃，有望对未来就解决成瘾、犯罪行为等相关问题展开的工作发挥指导作用。”
该研究首次证明，奖赏记忆是由化学变化产生的，这些化学变化影响了称作腹侧被盖区（VTA）的脑区神经细胞内已知的与记忆相关的基因。实验中阻断了发生在VTA脑区的那些化学反应（DNA甲基化和去甲基化作用的结合），因此老鼠无法形成新的奖赏记忆。
甲基化是指一个甲基团（一个碳原子和三个氢原子 ）粘附在DNA链的特定位点（胞嘧啶碱基）上面。一般认为：基因附近或者基因序列内部发生甲基化作用时，基因被关闭；作用停止时，基因被开启。这种反复的变化，能在不改变遗传自父母的密码的情况下，影响基因表达。不用发生在遗传系统本体之内，表观遗传变异就能令每个细胞类型进行自己独特的工作，对环境做出反应。
再者，子宫内的成骨干细胞或者肝脏细胞必须”记忆“其特性，并在分裂、增殖形成器官的过程中把该特性遗传给后代。这一过程需要基因记忆，而基因记忆主要是由甲基化反应推动完成的。注意，多数神经细胞不像其他细胞那样分裂，增殖。有种理论认为，神经细胞不能这么做的理由是，他们在形成实际记忆时启用了表观遗传学机制（epigenetic mechanism）。
自然快感对成瘾
人们认为，脑部快感中心是通过神经细胞，使用神经化学物质多巴胺来传递那个信号的，一般位于VAT脑区。多巴胺能神经元在传递快感信号方面展示了”非凡的能力“。不幸的是，把快感与有利行为联系在一起的进化过程，偶尔也强化了不利行为。
业内认为，对四大类滥用型药物——兴奋剂、鸦片制剂、乙醇和尼古丁——的成瘾，与脑部负责正常奖赏处理的相关部位内多巴胺传递活动增加有关。对正常奖赏和可卡因或者酒精作用都进行预测的线索，也能唤起多巴胺神经细胞，如同它们回想起的经历一样。这就引发了一个观点：毒品成瘾肯定占用了正常奖赏—记忆的神经通路。
在这些方面，过往的研究主张，VTA脑区——以及接收从VTA脑区下行的多巴胺信号，称作伏核（NCA）的区域——内产生多巴胺的神经元，都与自然奖赏和基于药物成瘾的记忆形成有关。尽管这种观点有一定的道理，但本研究表明，使用药物阻断VTA区的甲基化作用后，老鼠不能将奖赏经历附着在所记的线索上；而在NAC区进行同样的实验却没有取得相同的效果。
”我们观察到了重要的区别，区别不在回路本身，而在于该回路对自然奖赏反应和对滥用毒品或者精神疾病药物时在下游产生的反应进行的表观遗传调控“，斯维特实验室博士后学者、本研究第一作者杰里米·戴伊（Jeremy Day）博士说，”虽然药物体验也许能多少同化正常奖赏机制，但我们的结果显示，药物体验也许还与完全不同的表观遗传机制密切相关，这些机制只对药物成瘾起作用，也许能解释瘾头大小。
为了调查VTA区内的分子和表观遗传变异，研究人员承袭了19世纪俄国生理学家伊凡·巴甫洛夫的作法。巴甫洛夫是首位研究条件反射现象的科学家，通过每天喂狗之前摇铃铛，他很快发现狗听到铃声就会分泌唾液。
本项研究中，老鼠受训把一种音调与其进食口内有无糖丸联系起来。自20世纪90年代以来，这一相同的动物模型已经用于针对人类多巴胺神经元的作用机制进行的大部分研究。而且，大部分获得批准的作用于多巴胺系统的药物（如治疗柏金森氏症的左旋多巴）都是先在老鼠身上进行试验，等证明无害后再用于人体试验。
为了把跟记忆相关的脑部变化作用与进食本身的快感产生的作用进行区分，研究人员把老鼠分成了三组："CS+"组的老鼠每次听到声音线索后有糖丸吃；"CS-"组的老鼠听到的声音次数相同，得到的糖丸数量也相同，但从不一起得到；第三组为只听声音组，组里的老鼠只听声音，但从来没有得到糖丸奖赏。
结果发现，在进行了每次有25个声音线索的三次实验后，第一组的老鼠在听到声音线索期间，用鼻子在进食口探进探出的次数至少是对照组老鼠的两倍。探鼻行为是衡量老鼠逐渐把线索联想到美食记忆的程度的一个既定标准。
研究团队发现，与对照组相比，第一组的老鼠（糖与声音配对）更善于形成奖赏记忆， Egr1和Fos 基因的表达显著提高。这两种基因为人熟知的功能是，通过微调神经细胞之间连接的信令容量来调节其他脑区的记忆。在一系列实验中，团队接着发现了推动基因表达变异的甲基化和去甲基化模式，基因表达的变异表现为记忆的形成。
研究表明， 已知功能为调节基因表达的两类DNA甲基化作用，均由和奖赏相关的经历引起。
一类涉及把甲基团粘附在称作启动子（promoter）的DNA片段上，启动子的位置紧靠单个基因序列的上游（位于基因之间），功能是告诉听从基因指令的系统“开始从这里读起”。甲基团与启动子的粘附一般会造成干扰，使相邻基因沉默化。然而，植物、昆虫等古老的有机体在其基因之间发生的甲基化作用较少，而甲基化作用发生在基因自身（基因体内部）的编码区内的情况较多。这些基因体甲基化作用的已知功能是，鼓励而不是抑制基因表达。
具体而言，该团队报告称，启动子内为Egr1基因所留的两个部位，在奖赏经历中发生了去甲基化作用；把糖丸联想成声音线索的第一组老鼠中，这个作用程度更高。相反，Egr1和Fos两种基因的基因体内的各点，都随着记忆的形成而经历了甲基化作用。
“设计精神疾病、成瘾或者记忆障碍的治疗方法时，必须深入理解所研究的生物系统的功能“，戴伊说，”业界已从经验了解到，试图用全面削弱正常奖赏知觉或者奖赏记忆的某种办法治疗成瘾，这种努力不会成功。我们的研究表明，未来的治疗方法能够在不影响正常奖赏的情况下，逐渐减轻药物成瘾或者精神疾病。“
除了斯维特和戴伊，本研究的作者还有就职于UAB神经生物学系与UAB伊夫林 F 麦肯奈特大脑研究所的Daniel Childs, Mikael Guzman-Karlsson, Mercy Kibe, Jerome Moulden, Esther Song and Absar Tahir 。本项工作得到了国家药物滥用研究所（DA029419）、国家心理健康研究所（MH091122）和伊夫林 F 麦肯奈特大脑研究基金会的资助。