摘要：

bioRxiv| 线虫的“遗忘”过程可受到寒冷环境和锂盐的调控

秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)是研究神经系统和行为可塑性的绝佳模式生物，因为它的神经系统仅仅由302个固定数目的神经元组成，而且这些神经元之间的连接关系已经了解得十分清楚。此外，线虫基因组编码超过1000种嗅觉受体，由此，线虫可以通过头部的感觉神经元感知挥发性物质，并通过简单的神经系统构建起关联性记忆(associative memories)，例如在特定化学物质(如丁酮、苯甲醛、异戊醇等)存在的条件下对线虫进行饥饿处理，线虫可在“饥饿”与该气味信号间建立关联性记忆，从而改变对该气味天然的趋向性(chemotaxis)。先前的研究阐明了线虫对某气味信号产生“厌恶记忆”的机制：线虫头部的一对AWC感觉神经元在接受外界气味信息的刺激后，会抑制AIY中间神经元(AIY神经元促进线虫的转向运动)，从而阻止线虫改变运动方向，继续径直向气味信号的来源运动，使线虫表现出对气味信号的趋向性。若在该气味信号存在的条件下对线虫进行饥饿处理，则AWC神经元与AIY中间神经元的通讯会减弱，即AWC神经元在感知外界气味信号后不再抑制AIY神经元，从而使线虫表现出“回避”的行为表型。通常，线虫所建立的该种嗅觉记忆只能维持短短2~3小时，但2024年4月3日，特拉维夫大学Oded Rechavi研究团队发布在预印本网站bioRxiv的一篇文章“A tunable and druggable mechanism to delay forgetting of olfactory memories in C. elegans”(doi: 10.1101/2024.04.03.587909)中描述了一个有趣的发现：只要将线虫放置于寒冷环境中，线虫嗅觉记忆就能够一直保持，并且记忆时长能够延长至少8倍(若继续延长线虫暴露在寒冷环境中的时间，线虫会过于虚弱)。文章合理推断，线虫嗅觉记忆延长的可能机制之一是由于细胞膜流动性下降。为验证这一猜想，该研究对线虫的paqr2和iglr-2突变体(突变体细胞膜流动性下降)进行实验，发现两种线虫突变体在室温下遗忘嗅觉记忆的速度都变慢了，由此，以上猜想得到了支持。另外，该研究还发现，对于预先放置在15℃环境中进行驯化，产生寒冷适应的线虫，寒冷环境不能对其产生延长记忆的效果。于是该团队猜想产生寒冷适应的机制与寒冷环境下延长记忆的机制之间存在关联。通过对“寒冷耐受状态”和未经驯化的“寒冷敏感状态”的线虫进行转录组测序，找到了在两种状态中差异性表达的基因6466个，并通过GO富集分析，发现其中许多差异基因编码二酰基甘油(diacylglycerol，DAG)代谢途径中的酶。鉴于DAG信号通路与突触传递过程紧密相关，并且在线虫嗅觉记忆中发挥关键作用，该研究推断DAG水平的变化可能是线虫记忆时间延长的又一机制。该研究通过以下两个实验验证了猜想：(1)dgk-1基因编码二酰甘油激酶，能降低细胞内的DAG水平，因此线虫的dgk-1突变体细胞中DAG水平会提高。通过对线虫的dgk-1突变体进行训练、低温处理、行为观察，发现寒冷环境并不能延长dgk-1突变线虫的记忆时长。(2)该研究使用DAG的类似物PMA (phorbol-12-myristate-13-acetate)处理线虫，线虫同样失去了在寒冷环境下记忆延长的表型。综合以上实验结果，该研究认为DAG的积累会抑制线虫产生寒冷诱导的记忆延长现象。除了寒冷这一环境因素外，研究还发现使用锂盐(LiCl)处理线虫，线虫同样可以获得类似寒冷处理后产生的嗅觉记忆延长现象。对经过锂盐处理的线虫进行RNA-seq和GO富集分析后，发现经锂盐处理后“延长记忆”的线虫，其基因表达模式与寒冷处理后的线虫惊人地相似。并且，参照前述两个实验，使用锂盐处理线虫的dgk-1突变体，或在锂盐处理后使用DAG的类似物PMA进行回补，线虫“延长记忆”的表型都不会出现。接着，研究团队通过启动子odr-1控制goa-1基因特异性地在AWC神经元中表达，可以使无法产生记忆延长表型的goa-1突变体的该表型得到恢复。这一系列结果表明锂盐处理和寒冷刺激类似，都是通过降低DAG水平(通过降低感觉神经元AWC中的DAG水平)这一机制使线虫的嗅觉记忆得以延长。最后，该研究使用钙成像技术监测神经元的活动，发现经锂盐处理和未经处理的线虫在训练3小时后，AWC神经元的活动已经基本没有差别，而中间神经元AIY在胞体处的活动仍具有明显差别，由此发现AWC神经元本身并不是记忆维持的原因，而是通过改变中间神经元AIV的活动才使得记忆得以延续。该团队指出，在实验室之前的研究中，已经发现锂盐能够改变线虫的运动模式，例如改变线虫运动的角速度(angular velocity)，因此锂盐可能具有控制神经系统在两种不同“状态”之间进行转变的能力，进而同时引起包括运动模式、记忆时长，甚至其他潜在的表型的变化。锂盐很早就被用于双相情感障碍(bipolar disorder)的治疗，该研究所描述的线虫模型可能为将来阐明双相情感障碍患者抑郁和躁狂两种状态之间的转变机制奠定基础，甚至为更基础的研究如记忆和遗忘是否是主动的、可调控的过程等开辟道路。■推荐人： 李天行，李汉增

Cell Genomics| 发现肝癌新的易感基因及干预靶点

遗传因素在肝癌的发生发展中发挥重要作用。等位频率小于1%的罕见遗传变异也被认为是包括肝癌在内的复杂疾病的重要遗传学病因。近日，军事医学研究院周钢桥团队联合国内多个团队，首次系统描绘了中国人群肝癌的罕见遗传变异图谱，揭示罕见遗传变异与肝癌的发生风险密切相关，并鉴定了NRDE2基因在内的多个新的肝癌易感基因(2024年5月1日在线发布，doi: 10.1016/j.xgen.2024.100550)。NRDE2可通过促进蛋白激酶CK2复合体的组装和全酶活性，促进下游底物MDC1的磷酸化，进而激活同源重组修复通路介导的DNA双链断裂修复。而NRDE2基因中的罕见遗传变异可导致上述功能丧失，并能显著增强肝癌对PARP抑制剂的敏感性，因而提示NRDE2基因是一个新的肿瘤“合成致死”(synthetic lethality)靶点，有望为肝癌的“精准治疗”提供新的干预策略。■推荐人：李元丰，周钢桥

Molecular Cell| 解析CTCF拓扑边界揭示增强子-癌基因调控原理

拓扑相关结构域(topologically associating domains，TAD)和CTCF绝缘子边界在增强子和靶基因的特异性识别中发挥关键作用。成簇的CTCF位点如何指导TAD边界形成影响拓扑结构域和调控基因转录并不清楚。美国丹娜-法伯癌症研究所的Bradley Bernstein团队通过研究一个调控癌基因FGF并在胃肠道间质瘤(gastrointestinal stromal tumor，GIST)中受DNA超甲基化破坏的TAD绝缘边界，发现组合性破坏边界上成簇的CTCF位点产生异常增强子-启动子互作和原癌基因FGF3激活(2024年3月6日在线发布，doi: 10.1016/j.molcel.2024.02.007)。该边界上游TAD包含FGF基因，下游TAD包含ANO1基因和它在GIST及相关起源细胞中的潜在增强子。同时破坏边界中至少四个相向的CTCF位点会导致两个相邻的TAD发生融合、ANO1的增强子接触并诱导原癌基因FGF3异常表达。高分辨率micro-C图谱揭示ANO1的增强子和FGF3启动子之间的接触频率与FGF3诱导量呈线性正相关，接触频率的温和变化就会产生强烈的表达变化，为增强子-启动子互作控制发育关键调节因子的转录活性提供了直接证据，该研究也证实TAD边界处外向和内向的成簇CTCF位点对于精准基因表达都至关重要。■推荐人：黄海燕，吴强

Science Advances |ALDH7A1介导赖氨酸分解代谢参与成体神经发生的机制

赖氨酸降解关键酶ALDH7A1缺乏会导致有毒赖氨酸代谢物AASA/P6C的积累，与吡哆醇依赖性癫痫(pyridoxine-dependent epilepsy，PDE)的发生发展密切相关。早期高剂量的吡哆醇治疗可控制ALDH7A1缺乏引起的癫痫发作，但约75%的患者仍存在智力障碍和/或发育迟缓的症状。ALDH7A1缺乏如何影响大脑稳态的机制并不清楚。2024年4月5日，中国科学院遗传与发育生物学研究所郭伟翔团队在Science Advances上发表了题为“Disrupted de novo pyrimidine biosynthesis impairs adult hippo¬campal neurogenesis and cognition in pyridoxine- dependent epilepsy with ALDH7A1 deficiency”的研究论文(doi: 10.1126/sciadv.adl2764)，深入探究了ALDH7A1缺乏调节成体神经发生过程的作用机制以及相应的治疗策略。该研究发现脑特异性ALDH7A1的缺失会产生PDE，通过高剂量的吡哆醇治疗可有效控制癫痫发作，但仍会出现神经发生受损以及认知障碍。在机制上，ALDH7A1缺乏导致AASA/P6C的积累。转录组学以及稳定同位素示踪确定了葡萄糖和谷氨酰胺的从头嘧啶生物合成受损，特异性地促进激活态神经干细胞进入静息态以及随后的神经发生受阻。该研究不仅揭示了吡哆醇依赖性癫痫中ALDH7A1缺乏引起神经发生受损的新机制，还提出了嘧啶给药拯救癫痫患者神经发生缺陷和智力障碍的治疗策略。■推荐人：金彬彬，李礼