DNA甲基转移酶DNMT3b对学习记忆的影响及机制研究

A large number of studies have indicated that epigenetic modification plays an important role in normal brain function (i.e. learning and memory), and dysfunction of epigenetic modification leads to a series of neurological and neuropsychiatric diseases associated with cognitive deficits. Currently, DNA methylation is the most studied form of epigenetic modification. External stimuli can dynamically regulate DNA methylation during learning, which in turn participates in memory processing. DNA methylation is catalyzed by DNA methyltransferases (DNMTs), and DNMT3b is one of the major DNMTs expressed in the central nervous system of eukaryotes. Although the expression of Dnmt3b is significantly down-regulated in postnatal neurons, our studies have shown that it regulates synaptic plasticity and learning memory in adult brains; however the underlying mechanism have not been elucidated yet. In this study, we proposed to take advantage of conditional and cell-type specific Dnmt3b knockout mice, to study the role of Dnmt3b in learning and memory, and to explore the underlying mechanisms as well. The aim of this study is to find target genes, which are directly regulated by DNMT3b and closely related to learning and memory. Our studies will not only enrich knowledge about the molecular and cellular basis of learning and memory, it will shed light on the pathogenesis and possible treatment of certain neurological and neuropsychiatric disorders as well.

表观遗传修饰对正常脑功能（如学习记忆）起重要的调节作用，表观修饰异常与多种认知障碍性神经精神疾病的病理相关。DNA甲基化是目前研究最多的一种表观遗传修饰形式，其由DNA甲基转移酶（DNMT）催化完成。DNMT3b是真核生物中枢神经系统中主要的DNA甲基化酶之一。虽然DNMT3b在成熟神经元内的表达水平明显下降，但其对突触可塑性和学习记忆仍有重要的调节作用。我们实验室前期研究发现DNMT3b参与调节学习记忆，但其内在机制尚不明确。本课题拟利用条件性、神经元类型特异性Dnmt3b基因敲除小鼠，系统研究兴奋性和抑制性成熟神经元内Dnmt3b及其介导的DNA甲基化修饰在突触可塑性和学习记忆中的作用，并探讨可能的分子和细胞机制，以发现Dnmt3b直接调控的、与学习记忆密切相关的基因。研究不仅有助于我们深入了解学习记忆的生物学基础，同时对伴有认知障碍的神经精神疾病的病因研究和治疗将带来有益的指导。

表观遗传修饰对正常脑功能（如学习记忆）起重要的调节作用，表观修饰异常与多种认知障碍性神经精神疾病的病理相关。DNA甲基化是目前研究最多的一种表观遗传修饰形式，其由DNA甲基转移酶（DNMT）催化完成。DNMT3b是真核生物中枢神经系统中主要的DNA甲基化酶之一，其对突触可塑性等有重要的调节作用。但Dnmt3b是如何对成熟神经系统的突触可塑性和学习记忆产生调节及其内在机制尚不清楚。本研究中，我们培育了仅在αCaMKII+兴奋性或Dlx5/6+抑制性神经元中缺少Dnmt3b的条件突变小鼠，系统研究了兴奋性和抑制性成熟神经元内Dnmt3b及其介导的DNA甲基化修饰在突触可塑性和学习记忆中的作用。研究发现:（1）αCaMKII+神经元中的Dnmt3b缺失会导致海马区SC-CA1通路突触可塑性，以及海马依赖的位置识别记忆和空间记忆受损。（2）原代培养海马神经元中，Dnmt3b缺失不影响海马神经元的形态结构，但缺失导致原代培养海马神经元Ca2+内流异常升高。（3）WGBS揭示了Dnmt3b缺失小鼠海马中DNA甲基化状态失调。我们筛选出14个与差异甲基化区域（DMR）相关的在启动子中甲基化水平有差异（>20%）的基因，RT-PCR验证发现Gadl1会随着启动子低甲基化（54%）而显示出mRNA表达增加（50%）。（4）干扰dCA1中Gadl1上调改善Dnmt3b缺失小鼠的记忆缺失。我们的研究表明，Dnmt3b是海马区SC-CA1通路突触可塑性和海马依赖的位置识别和空间记忆所必需的，而Gadl1是CA1区兴奋性神经元中Dnmt3b调节突触可塑性和记忆的重要靶向基因。本研究不仅有助于我们深入了解学习记忆中的表观遗传分子细胞基础，同时对伴有认知障碍的神经精神疾病的病因研究和表观遗传治疗将带来有益的指导。