《細胞》子刊：MIT大神科學家蔡理慧在神經修復領域取得新突破，有望找回阿爾茲海默病患者失去的記憶｜科學大發現

記憶是人類適應其生存環境所需要的最基本能力，也是人們最寶貴的財富。然而，每年有許許多多的人因為阿爾茲海默病（AD）或者意外事故而喪失記憶，對患者以及家人造成了嚴重的影響。那麼有沒有辦法幫助這些人恢復喪失的記憶呢？

近日，來自麻省理工學院Picower學習與記憶研究所所長蔡理慧（Li-Huei Tsai）博士（就是上次成功用LED燈改善了小鼠阿爾茲海默病癥狀的MIT大牛）的研究團隊發現了一種有希望的方法。他們通過特異性阻斷大腦中的組蛋白去乙醯化酶2（HDAC2）與轉錄因子Sp3的結合，成功的在神經受損記憶喪失的小鼠腦內，重新建立了突觸連接恢復了小鼠的記憶和認知，並且不會產生副作用。這一發現發表在《細胞報告》雜誌上（1）。

Tsai博士

很早之前，蔡教授就曾想過一個問題，人類記憶的喪失，到底是簡單的記憶丟失或者只是因為人類的神經或突觸受損，導致記憶無法被讀取。如果是後者，那麼通過重建患者腦部的神經網路也許可以幫助他們找回丟失的記憶。

而在2003年，意外的一個案例讓蔡教授找到了靈感。一名因車禍喪失意識近20年的男性，在經過長期康復訓練後重新獲得了記憶與運動以及認知能力。隨後醫生髮現，該男子在車禍中被切斷的神經又重新建立的微小新神經網路連接起來了（2）。這也意味著，重建神經網路可能也有助於恢復人類喪失的記憶。

隨後蔡教授開始尋找可以幫助記憶喪失患者重塑神經網路的方法。終於，在2007年的時候，蔡教授發現，模擬AD患者腦萎縮的基因工程小鼠在注射組蛋白去乙醯化酶（HDAC）抑製劑後，成功地恢復了小鼠喪失的記憶。表現為，小鼠成功的完成了在腦萎縮之前接受的任務訓練，包括迷宮以及其他任務。這一發現發表在當年4月份的《自然》雜誌上（3）。

然而，在實驗過程中，蔡教授發現了一個很嚴重的問題，HDAC抑製劑雖然可以幫助神經損傷小鼠恢復突觸連接，但是同時也會造成很嚴重的副作用。之後，有學者對HDAC做了系統的研究發現，改變HDAC的功能可以導致許多病理狀態，包括癌症，心血管疾病和各種形式的神經功能障礙（4）。

所以為了改善HDAC抑製劑的副作用，蔡教授開始了本次研究。此前，已有學者發現，人體內的HDAC存在著多種亞型，其中HDAC2與哺乳動物神經系統結構和功能的重塑密切相關（5），HDAC2通過將組蛋白去乙醯化，抑制DNA和核小體的解離，從而達到抑制相基因表達的效果。同時，敲除HDAC2基因同樣可以促進突觸基因的表達，顯著恢復小鼠的記憶和認知功能。此外，人們還發現，HDAC2水平在AD患者以及AD小鼠大腦內都有明顯升高（6）。

但是，由於HDAC酶系的結構具有很強的相似性，目前還沒有人開發出特異性的HDAC2抑製劑（7）。除此之外，HDAC2本身還具有複雜的功能，不僅僅只參與突觸形成的調節，HDAC2蛋白不同的結構區域還可以與其他不同的轉錄因子結合形成染色體結合複合物，調節其他信號通路（8）。這也意味著，要想特異性修復受損的神經而不引起其他副作用，蔡教授需要找到與HDAC2特異性結合的參與突觸形成調節的轉錄因子，並抑制它們結合。

正常大腦與AD患者萎縮的大腦

為此，蔡教授使用加權基因共表達網路分析（WGCNA）從187位健康人類死後公開的腦部基因表達數據，確定了可能與HDAC2協同工作的2282個基因。隨後通過基因本體分析以及成對相關性分析，最終發現了22個候選基因。包括已經發現的編碼DNA結合蛋白的基因，如Sp3，Tdp2，Sap30等等（9）。

由於HDAC2在體內並不能直接結合DNA，因此蔡教授將注意力集中在可以結合DNA的蛋白質（Sp3，Sap30和Tdp2）上。通過將短髮夾RNA（shRNA），分別抑制HDAC2，Sp3，Sao30以及Tdp2基因在小鼠體內的表達，蔡教授發現，抑制HDAC2和Sp3都可以增加小鼠原代神經元的突觸興奮性，而抑制Sap30以及Tdap2沒有引起突觸變化。也就是說，負責與HDAC2結合調節突觸相關基因表達的轉錄因子很有可能就是Sp3。

為了進一步確定這一點，蔡教授將對照組，HDAC2或者Sp3短髮夾RNA轉導的小鼠原代神經元進行轉錄組學分析。發現，抑制HDAC2或者Sp3引起的基因統計學變化顯著重疊，表明它們在功能上是相似的，並且這些變化的基因與突觸形成以及神經元活性密切相關。

HDAC2與Sp3結合抑制核小體與DNA的解離，抑制轉錄因子與DNA結合，從而抑制突觸相關基因的表達

隨後，蔡教授還對比了HDAC2以及Sp3基因敲除的小鼠與AD模型小鼠的基因表達區別。發現，HDAC2以及Sp3基因敲除後小鼠神經細胞上調的基因，與AD小鼠神經細胞下調的基因顯著重疊。

具體來說，突觸相關基因在AD小鼠體內表達下調了，並被HDAC2和Sp3負調節。同時，研究人員還使用了染色質免疫沉澱與定量多聚酶鏈反應（ChIP-qPCR）確定，Sp3的確可以將HDAC2募集到突觸相關基因啟動子附近共同調控突觸相關基因的表達。

而且，不僅AD小鼠腦內的HDAC2和Sp3水平含量升高了，通過對13名健康人以及10名AD患者的腦部海馬神經元的基因表達數據進行了系統的分析，Tsai博士發現，AD患者腦部的HDAC2以及Sp3基因表達同樣被顯著提高了，而與突觸功能相關的基因也被顯著下調了。

最後，蔡教授還找到了修復AD小鼠受損神經的方法。通過改造小鼠大腦的神經元，使其表達特異性阻斷HDAC2與Sp3結合蛋白質或者往小鼠腦內注射靶向Sp3的短髮夾RNA，可以使p25轉基因誘導的嚴重受損的小鼠海馬Schaffer側支迴路恢復正常，並且，不會產生干擾正常細胞增殖等一系列副作用 。

總的來說，這一發現無疑是振奮人心的。因為蔡教授的發現表明，即使大腦中已有大量的神經元受損，重塑神經網路仍舊能夠找回「丟失」的記憶。這也意味著，即使在痴呆症的晚期階段，認知功能以及記憶也可以得到恢復。除此之外，其他一些涉及HDAC2水平升高的疾病，例如創傷後應激障礙（PTSD）也可能從這一發現中獲益。

參考資料：

1.http://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(17)31023-9

2.http://news.mit.edu/2007/picower-team reverses-alzheimers-symptoms-mice

3. Fischer A, Sananbenesi F, Wang X, et al. Recovery of learning and memory is associated with chromatin remodelling[J]. Nature, 2007, 447(7141): 178.

4. Histone deacetylases and their inhibitors in cancer, neurological diseases and immune disorders.Falkenberg, K.J. and Johnstone, R.W.Nat. Rev. Drug Discov. 2014; 13: 673–691

5. An epigenetic blockade of cognitive functions in the neurodegenerating brain. Gr?ff, J., Rei, D., Guan, J.S., Wang, W.Y., Seo, J., Hennig, K.M., Nieland, T.J., Fass, D.M., Kao, P.F., Kahn, M. et al. Nature. 2012; 483: 222–226

6. c-Abl stabilizes HDAC2 levels by tyrosine phosphorylation repressing neuronal gene expression in Alzheimer』s disease. Gonzalez-Zu?iga, M., Contreras, P.S., Estrada, L.D., Chamorro, D., Villagra, A., Zanlungo, S., Seto, E., and Alvarez, A.R. Mol. Cell. 2014; 56: 163–173

7. Interaction of FUS and HDAC1 regulates DNA damage response and repair in neurons. Wang, W.Y., Pan, L., Su, S.C., Quinn, E.J., Sasaki, M., Jimenez, J.C., Mackenzie, I.R., Huang, E.J., and Tsai, L.H. Nat. Neurosci. 2013; 16: 1383–1391

8. Histone deacetylases and their inhibitors in cancer, neurological diseases and immune disorders. Falkenberg, K.J. and Johnstone, R.W. Nat. Rev. Drug Discov. 2014; 13: 673–691

9. Activity-induced DNA breaks govern the expression of neuronal early-response genes. Madabhushi, R., Gao, F., Pfenning, A.R., Pan, L., Yamakawa, S., Seo, J., Rueda, R., Phan, T.X., Yamakawa, H., Pao, P.C. et al. Cell. 2015; 161: 1592–1605

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