大阪大学研究生院生命机能研究科的博士生渥美友梨、菅生纪之特任副教授（专职）、中国的深圳湾实验室-神经疾病研究所的山本亘彦客座教授的研究团队发表研究成果称，在单分子水平上阐明了人神经元内与学习和记忆有关的蛋白质和基因组DNA的动力学行为。该成果不仅可以促进对引发学习和记忆机制的详细理解，还有望揭示神经精神疾病的发病机制。相关成果已发表在《Cell Reports》上。
图1.从人类ES细胞分化而来的皮质神经元的单分子成像（左上）显示，当神经元活动被激活时，CREB会反复与特定基因位点结合（右上）。这些基因位点是CBP预定的组蛋白乙酰化位点（左下），RNAPII在这些位点聚集并诱导基因表达（右下）。虚线代表细胞核的轮廓。比例尺：50μm（左上），5μm（其他）。（供图：大阪大学）
CREB（环磷腺苷效应元件结合蛋白）是神经元生存、分化、突触可塑性等所必需的蛋白质。当受到刺激时，CREB会通过与特定的DNA序列结合，促进与学习和记忆相关的基因表达。还可以通过与CBP（初乳碱性蛋白，一种珍稀蛋白）形成复合物，汇集RNA聚合酶Ⅱ（RNAPⅡ）引发基因表达。此外，CBP也是一种组蛋白乙酰转移酶，被认为在表观遗传调控中发挥作用。迄今为止，研究人员已经利用生化方法研究了CREB的激活途径和靶基因，但促进基因表达的时空间分子动力学尚未明确。另外，由于对这些分子机制的研究主要是在啮齿类动物中进行的，因此使用人类神经元的研究对于了解神经精神疾病的病况必不可少。
为了克服这些问题，研究团队与比利时VIB-KU的Pierre Vanderhaeghen教授和岩田亮平研究员的团队合作，建立了从人类ES细胞分化而来的大脑皮层神经元培养系统，使用仅照亮部分细胞核的倾斜照明显微镜对荧光标记的CREB和CBP在单分子水平进行了可视化，仔细分析了时空间动力学。此外，研究团队还与东京工业大学木村宏教授的团队合作，尝试了CREB和RNAPⅡ的同步成像。最终，阐明了两个步骤的分子机制。
首先，在神经活动发生之前，神经元的细胞核中就散布着被CBP组蛋白乙酰化的微小区域。在这些微小区域中，与学习和记忆相关的基因会做好准备，以便在神经活动发生时可以快速表达基因。
接着，当受到刺激时将作为热点，CREB会与CBP一起选择性地与该基因的DNA序列在几秒钟内重复结合，由此引发活化型RNAPⅡ的积累并开始基因表达。
这两个步骤表明上述是与学习和记忆有关的分子行为。
通过将这种成像方法与iPS细胞技术相结合，并将其应用于患者来源的细胞，有望进一步促进神经精神疾病的病况阐明。
菅生特任副教授表示：“在这项研究中，作为人类神经元响应刺激而控制基因表达的机制，我们使用核内单分子成像法成功地直接观察到了蛋白质和基因组DNA在时空间上相遇的热点的形成。该成果有望推动把学习、记忆和神经精神疾病病况作为‘分子行为’来理解。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Cell Reports (2023)
论文：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
