miRNA-1175通过调控长链非编码反义RNA促进单次学习长期记忆形成的新机制

《Scientific Reports》：miRNA-1175 downregulates a long non-coding natural antisense RNA and promotes long term memory

本研究针对单次学习如何快速解除记忆抑制约束这一关键科学问题，开展了miRNA与lncRNA相互作用在长期记忆形成中机制的主题研究。研究人员发现Lym-miR-1175能特异性下调Lym-NOS1AS NAT表达，通过NOS-NO通路促进记忆巩固，揭示了非编码RNA相互作用在记忆形成中的新途径，为理解记忆形成的分子机制提供了重要理论依据。

　　

在日常生活中，我们常常发现有些经历只需要一次体验就能形成终身难忘的记忆，而另一些经历即使重复多次也难以在脑海中留下深刻印象。这种单次学习就能形成长期记忆的现象被称为"闪光灯记忆"，在人类和动物中普遍存在。然而，科学界对单次学习如何快速启动长期记忆形成的分子机制了解甚少。

传统观点认为，长期记忆的形成需要重复训练来巩固，但单次学习形成的记忆显然打破了这一规律。这提示我们大脑中存在着特殊的分子开关，能够在单次学习后快速解除记忆形成的抑制约束。近年来，科学家们发现非编码RNA在这一过程中可能发挥着关键作用。非编码RNA是不编码蛋白质的RNA分子，包括短链非编码RNA和长链非编码RNA两大类，它们如同细胞内的"调控大师"，精细调控着基因的表达。

在这项发表在《Scientific Reports》上的研究中，研究人员利用池塘蜗牛这一经典的神经生物学模型，深入探究了非编码RNA在单次学习长期记忆形成中的重要作用。他们此前已经发现了一些与长期记忆相关的microRNA，其中Lym-miR-137能够通过下调记忆抑制因子CREB2来促进记忆形成。然而，抑制Lym-miR-137并不能完全阻断记忆形成，暗示着还存在其他未知的记忆约束机制。

本研究聚焦于另一个长期记忆相关miRNA——Lym-miR-1175。令人感兴趣的是，生物信息学分析预测该miRNA能够靶向一个名为Lym-NOS1AS的长链非编码RNA。Lym-NOS1AS属于自然反义转录本，其转录自一氧化氮合酶基因座的非模板链。已有研究表明，NOS相关的反义转录本能够负向调控NOS基因的表达，而一氧化氮合酶催化产生的一氧化氮正是记忆形成所必需的信号分子。这些线索共同指向了一个全新的记忆形成通路：Lym-miR-1175通过调控Lym-NOS1AS，进而影响一氧化氮合酶表达和一氧化氮产生，最终促进长期记忆形成。

研究人员采用了多种关键技术方法开展本研究。行为学实验采用单次奖励条件反射模型，分子生物学方法包括实时定量PCR、细胞转染与稳定细胞系构建、位点定向突变、体内miRNA抑制等技术，同时结合原位杂交和单细胞RT-PCR进行细胞定位分析。实验动物为实验室饲养的池塘蜗牛，细胞实验采用HEK293细胞系。

单次奖励条件反射诱导Lym-miRNA-1175在学习神经节中的时序特异性差异调控

研究人员首先通过定量实验发现，单次奖励条件反射能够诱导Lym-miR-1175表达发生精确的时空变化。在训练后1小时，大脑神经节中Lym-miR-1175表达水平显著上调约4倍，而在颊神经节中未观察到明显变化。这一结果表明Lym-miR-1175的表达调控具有高度特异性，与其在记忆形成中的可能作用相符。

Lym-miR-1175下调非编码NOS相关长链自然反义转录本Lym-NOS1AS

为了验证Lym-miR-1175是否确实能够调控Lym-NOS1AS，研究人员采用了功能获得性实验方法。他们将包含Lym-miR-1175潜在靶序列的Lym-NOS1AS片段插入表达载体，转染HEK293细胞并建立稳定表达细胞系。实验结果显示，过表达miR-1175模拟物能够显著降低GFP/Lym-NOS1AS转基因的表达水平。

为进一步证实这种调控的特异性，研究人员通过位点定向突变技术改变了Lym-NOS1AS中的潜在结合位点，显著降低了其与Lym-miR-1175的互补性。在表达突变型Lym-NOS1AS的细胞系中，过表达miR-1175不再影响转基因表达水平。这一结果强有力地支持了Lym-miR-1175能够特异性下调Lym-NOS1AS的假设。

Lym-miRNA-1175是单次诱导长期记忆形成所必需的

通过体内功能缺失性实验，研究人员直接检验了Lym-miR-1175在记忆形成中的必要性。他们首先验证了转染试剂对记忆形成没有负面影响，然后向蜗牛体内注射miR-1175抑制剂或阴性对照抑制剂。行为学测试结果表明，注射miR-1175抑制剂能够显著抑制长期记忆的形成，而对照抑制剂则无此效果。这一发现直接证明了Lym-miR-1175在单次学习长期记忆形成中发挥着不可或缺的作用。

Lym-miR-1175、Lym-NOS1AS NAT和Lym-NOS1 mRNA在记忆网络关键神经元中共表达

研究人员进一步探究了这三种RNA分子在记忆相关神经元中的空间分布关系。他们发现Lym-miR-1175、Lym-NOS1AS和Lym-NOS1 mRNA在大脑巨细胞中共同表达，这些细胞是蜗牛记忆网络中的关键神经元。这一共表达现象为三种分子之间的功能相互作用提供了细胞学基础，使得提出的调控通路在生理条件下成为可能。

研究结论与讨论部分指出，单次学习形成的长期记忆需要快速解除分子水平的抑制约束，而miRNA在这一过程中发挥着关键作用。本研究首次揭示了miRNA与长链自然反义转录本之间的功能相互作用在记忆形成中的重要性。

具体而言，训练诱导的Lym-miR-1175上调能够抑制Lym-NOS1AS表达，从而解除对Lym-NOS1 mRNA的抑制，促进一氧化氮合酶表达和一氧化氮产生。一氧化氮作为重要的信号分子，在训练后约6小时内持续参与记忆巩固过程。这一通路在时间和空间上都具有高度协调性，确保了单次学习后记忆的高效形成。

值得注意的是，抑制Lym-miR-1175并不能完全阻断记忆形成，这表明还存在其他记忆约束机制和促进途径。这种冗余性也反映了记忆形成机制的复杂性和稳健性。

本研究的意义在于首次揭示了miRNA与长链自然反义转录本相互作用在记忆形成中的新机制，为理解单次学习长期记忆形成的分子基础提供了全新视角。虽然已有研究发现miRNA与其他类型lncRNA的相互作用，但miRNA与长链自然反义转录本的调控关系在记忆研究领域仍属空白。这一发现不仅增进了我们对记忆分子机制的理解，也为研究非编码RNA之间的复杂调控网络提供了新思路。