揭示神经元记忆存储的隐藏细胞逻辑

来自密歇根大学(UM)的细胞生物学家团队探索了睡眠依赖的记忆存储所涉及的机制，发现尚未研究的海马神经元中与细胞相关的RNA在睡眠剥夺小鼠和学习后睡眠剥夺小鼠之间存在很大差异。

分子、细胞和发育生物学系的副教授萨拉艾顿(Sara Aton)和UM神经科学系最近的研究生詹姆斯德洛姆(James Delorme)假设学习事件和随后的睡眠(或睡眠不足)会影响mRNA翻译。大多数先前关于睡眠对mRNA影响的研究都集中在神经元胞质溶胶中的转录物上。然而，医生。Aton和Delorme发现，在学习之后，RNA的主要变化出现在而不是——上，这几乎完全出现在与神经元细胞膜相关的核糖体上。

这些结果发表在2021年11月30日的《美国国家科学院院刊》上。

该团队首先应用了一种常用的生化方法对海马进行匀浆和离心，并将细胞质(细胞质的含水成分，较小的细胞器和悬浮在其中的颗粒)与其他细胞成分(内质网，高尔基体，细胞膜等)分离。)通常被认为是“片段”。在这项研究中，作者发现细胞质中与核糖体相关的RNA随着动物是否睡眠而变化，这证实了之前的转录组学研究。

然而，根据以前的研究，细胞质核糖体几乎没有表现出RNA的变化。

“如果我们只是停留在那里，我们不会发现任何新奇或有见地的东西。我们坚信我们必须重新考虑我们的方法，”艾顿解释道。众所周知，内质网被核糖体覆盖，核糖体是RNA转化为蛋白质的机制。德洛姆和艾顿决定对细胞其他部分的RNA，也就是细胞质外的“片段”进行测序。正是在他们研究较少的那部分含膜细胞中，他们发现许多转录物受到先前学习的影响。

无论是让动物学习——后睡觉，还是让新的记忆存储——，还是剥夺睡眠，这些修改后的转录本之间都存在显著差异。这些意想不到的结果为更多的调查打开了大门。

Aton说：“通过观察细胞的其他区域，我们现在能够产生许多新的假设，即当记忆巩固时以及当巩固因睡眠剥夺而中断时，在分子水平上会发生什么。”例如，在学习后睡觉的动物中，Aton和Delorme观察到海马神经元膜中编码蛋白质合成机制成分的转录物的丰度增加。一种假设是检验学习后睡眠后膜相关核糖体的蛋白产量是否真的增加。

除了mRNA，作者还发现，学习导致了长非编码RNA和神经元膜结合核糖体之间关联的变化。这些可以在调节其他转录物的翻译中发挥作用，应该进行研究。“这些细胞已经发展出非常优雅的机制来微调从转录到翻译的过程，长非编码RNA可能是大脑的这些部分之一，”Aton说。

通过将神经元比作一个大型仓库，她进一步解释说，在远程细胞过程中，需要复杂的物流来快速响应新蛋白质的需求，并且需要准备和分配适应过程。“神经元必须在合理的时间框架内，在需要的时候递送‘包裹’，不管位置有多远。神经元进化成这样，这是一个巨大的生物学问题，需要研究。

理解这种生物学如何工作很重要，因为除了存储新的记忆，它还会影响再生，退化和神经系统疾病，”艾顿总结道。