密歇根大學(xué) (UM) 的一個(gè)細(xì)胞生物學(xué)家團(tuán)隊(duì)探索了睡眠依賴(lài)性記憶存儲(chǔ)所涉及的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)與海馬神經(jīng)元中未被研究的細(xì)胞區(qū)室相關(guān)的 RNA 在學(xué)習(xí)后睡眠和睡眠剝奪的小鼠之間差異很大。

分子、細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)系副教授 Sara Aton 和最近的 UM 神經(jīng)科學(xué)研究生 James Delorme 假設(shè)學(xué)習(xí)事件和隨后的睡眠(或睡眠不足)都會(huì)影響 mRNA 的翻譯。大多數(shù)關(guān)于睡眠對(duì) mRNA 影響的先前工作都集中在神經(jīng)元胞質(zhì)溶膠中的轉(zhuǎn)錄物上。然而，博士。Aton 和 Delorme 發(fā)現(xiàn)，在學(xué)習(xí)之后，RNA 的主要變化反而出現(xiàn)——幾乎完全——出現(xiàn)在與神經(jīng)元細(xì)胞膜相關(guān)的核糖體上。這些結(jié)果已于2021 年 11 月 30 日發(fā)表在國(guó)家科學(xué)院院刊上。

該團(tuán)隊(duì)首先應(yīng)用了一種常用的生化方法，將海馬組織均質(zhì)化和離心分離，將細(xì)胞質(zhì)(細(xì)胞質(zhì)的水性成分，較小的細(xì)胞器和顆粒懸浮在其中)與通常被認(rèn)為是“碎片”的其他細(xì)胞成分分離(內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、細(xì)胞膜等)。在這項(xiàng)研究中，作者發(fā)現(xiàn)與細(xì)胞質(zhì)中核糖體相關(guān)的 RNA 因動(dòng)物是否睡覺(jué)而異，這證實(shí)了先前的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究。然而，根據(jù)先前的學(xué)習(xí)，胞質(zhì)核糖體幾乎沒(méi)有顯示出 RNA 變化。

“如果我們只是停在那里，我們就不會(huì)發(fā)現(xiàn)任何新穎或有見(jiàn)地的東西。我們強(qiáng)烈認(rèn)為我們必須重新考慮我們的方法，”Aton 解釋說(shuō)。眾所周知，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)被核糖體覆蓋，核糖體是將 RNA 轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的機(jī)制，Delorme 和 Aton 決定對(duì)細(xì)胞其他部分的 RNA 進(jìn)行測(cè)序，即細(xì)胞質(zhì)外的“碎片”。正是在研究較少的含膜細(xì)胞部分中，他們發(fā)現(xiàn)許多轉(zhuǎn)錄本受到先前學(xué)習(xí)的影響。無(wú)論動(dòng)物在學(xué)習(xí)后是否被允許睡覺(jué)——允許存儲(chǔ)新的記憶——或者它們是否被剝奪睡眠，這些修改后的轉(zhuǎn)錄本也存在顯著差異。這些意想不到的結(jié)果為更多調(diào)查打開(kāi)了大門(mén)。

Aton 說(shuō)：“通過(guò)觀察細(xì)胞的其他區(qū)域，我們現(xiàn)在有能力產(chǎn)生許多關(guān)于當(dāng)記憶被鞏固時(shí)以及當(dāng)鞏固因睡眠剝奪而中斷時(shí)在分子水平上會(huì)發(fā)生什么的新假設(shè)。”

例如，在學(xué)習(xí)后睡覺(jué)的動(dòng)物中，Aton 和 Delorme 觀察到在海馬神經(jīng)元膜部分中編碼蛋白質(zhì)合成機(jī)制成分的轉(zhuǎn)錄本豐度增加。一種假設(shè)是測(cè)試學(xué)習(xí)后睡眠后膜相關(guān)核糖體的蛋白質(zhì)產(chǎn)量是否確實(shí)增加。

除了 mRNA，作者還發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)導(dǎo)致長(zhǎng)非編碼 RNA 與神經(jīng)元膜結(jié)合核糖體的關(guān)聯(lián)發(fā)生變化。這些可以在調(diào)節(jié)其他轉(zhuǎn)錄本的翻譯中發(fā)揮作用，應(yīng)該進(jìn)行調(diào)查。“這些細(xì)胞已經(jīng)發(fā)展出非常優(yōu)雅的機(jī)制來(lái)微調(diào)從轉(zhuǎn)錄到翻譯的過(guò)程，長(zhǎng)非編碼 RNA 可能是大腦這一部分的其中之一，”Aton 說(shuō)。

她通過(guò)將神經(jīng)元比作一個(gè)大型倉(cāng)庫(kù)進(jìn)一步解釋了，需要復(fù)雜的物流來(lái)快速響應(yīng)遠(yuǎn)程細(xì)胞過(guò)程中對(duì)新蛋白質(zhì)的需求，需要準(zhǔn)備和分配適應(yīng)過(guò)程。“神經(jīng)元必須在合理的時(shí)間范圍內(nèi)交付‘包裹’，在需要時(shí)，無(wú)論該位置有多遠(yuǎn)。神經(jīng)元已經(jīng)進(jìn)化到可以做到這一點(diǎn)，這是一個(gè)需要研究的巨大生物學(xué)問(wèn)題。理解這一點(diǎn)很重要這種生物學(xué)是如何運(yùn)作的，因?yàn)槌舜鎯?chǔ)新記憶之外，它還影響再生、退化和神經(jīng)系統(tǒng)疾病，”Aton 總結(jié)道。