调节记忆形成的动态DNA结构

　　

一个国际合作研究小组，包括来自昆士兰大学昆士兰脑研究所(QBI)的科学家，发现了一种新的记忆机制，涉及特定DNA结构的快速变化。研究小组发现，G-四重体DNA (G4-DNA)在神经元中积累，并动态控制长期记忆形成相关基因的激活和抑制。

此外，利用先进的基于CRISPR的基因编辑技术，研究小组揭示了大脑中G4-DNA调控的因果机制，其中涉及DNA解旋酶DHX36的位点定向沉积。

这项发表在《神经科学杂志》(Journal of Neuroscience)上的新研究首次提供了证据，证明G4-DNA存在于神经元中，并在功能上参与了不同记忆状态的表达。

这项研究由澳大利亚国立大学和QBI的Paul Marshall博士以及来自魏茨曼科学研究所和加州大学欧文分校的合作者团队领导，强调了动态DNA结构在记忆巩固中的作用。

DNA的灵活性

几十年来，许多科学家都认为DNA的问题有待解决。DNA被广泛认为是右双螺旋结构，这种结构的变化只发生在DNA复制和转录过程中。这种结构包含两条核酸链，具有四种碱基:腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)，鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)，它们配对在一起形成DNA阶梯的梯级。

我们现在知道这并不是完整的故事。QBI的Tim Bredy教授解释说，DNA可以呈现各种构象状态，这些构象状态在细胞过程中具有重要的功能。

“DNA拓扑结构比静态的右双螺旋结构动态得多，正如该领域大多数研究人员所假定的那样，”Bredy教授说。“到目前为止，实际上已经发现了20多种不同的DNA结构状态，每种状态都可能在基因表达的调节中发挥不同的作用。”

在这项新的研究中，研究小组现在已经证明，这些结构中的很大一部分与活动依赖基因表达的调节有因果关系，并且需要记忆的形成。

尽管表观遗传修饰与神经元可塑性和记忆有着良好的联系，但迄今为止，人们对DNA结构的局部变化如何影响基因表达知之甚少。

当鸟嘌呤折叠成稳定的四链DNA结构时，G4-DNA在细胞中积累。虽然有证据表明这种结构在调节转录中起作用，但在这项研究之前，它在经验依赖性基因表达中的作用尚未被探索。

G4-DNA调节记忆

G4-DNA在学习过程中在活跃神经元中短暂积累。这种四重结构的形成发生在几毫秒或几分钟内，以相同的速度神经元转录对经验的反应。

因此，G4-DNA结构可以参与活性神经元中转录的增强和损伤，基于它们的活性，从而实现不同的记忆状态。

这一机制突出了DNA对经验的动态反应，并表明它不仅在编码或表观遗传上有存储信息的能力，而且在结构上也有。

消除恐惧记忆

条件恐惧的消除是一种行为适应，对生存至关重要。恐惧消除依赖于形成新的具有相似环境元素的长期记忆，与恐惧相关的记忆竞争并接管。持久的消除记忆的形成取决于基因表达的协调变化。Bredy教授说，现在很明显，活动诱导的基因表达导致消除是一个紧密协调的过程。“这一过程依赖于转录机制和各种DNA结构(包括G4-DNA)之间的时间相互作用，而不是像通常认为的那样，仅仅由DNA序列或DNA修饰决定。这一发现扩展了我们对DNA如何在学习和记忆中作为一种高度动态的转录控制装置发挥作用的理解。”