早期生活环境通过神经元特异性AP-1信号通路双向调控认知功能的表观遗传机制

《Nature Communications》：Neuronal type-specific modulation of cognition and AP-1 signaling by early-life rearing conditions

本研究针对环境因素如何通过表观遗传机制调控认知发育的科学问题，通过多组学方法揭示了早期生活环境对海马CA1锥体神经元和齿状回颗粒神经元特异性转录程序的影响。研究发现富集环境(EE)和贫瘠环境(IE)通过差异调节AP-1转录因子活性，双向调控突触可塑性相关基因表达，从而产生持久性认知功能改变。该研究为神经发育障碍的环境干预提供了重要分子靶点。

　　

认知发育受到早期生活环境的深刻影响，这一现象自Donald O. Hebb发现家养大鼠比实验室笼养大鼠在解决问题测试中表现更好以来就受到广泛关注。然而，环境因素如何通过分子机制对大脑产生持久性影响，特别是不同神经元类型对环境刺激的特异性响应机制，仍然是神经科学领域的重要问题。近年来，转录和表观遗传机制被认为是环境 enrichment（EE）和impoverishment（IE）对认知能力和海马功能产生持久影响的分子基础，但驱动这些变化的具体基因程序在很大程度上仍然未知。

发表在《Nature Communications》上的这项研究通过结合海马显微解剖和神经元核特异性遗传标记技术，首次在全基因组水平上揭示了CA1锥体神经元和齿状回（DG）颗粒神经元在转录组、染色质可及性、组蛋白乙酰化和DNA甲基化方面的深刻差异。研究人员发现，EE和IE对认知表现产生相反的影响，并且这种影响是通过细胞类型特异性的基因组变化实现的，突出了每种神经元群体内不同的神经适应模式。

研究人员主要使用了以下几种关键技术方法：采用SUN1-GFP核标记小鼠模型通过荧光激活核分选（FANS）技术分离特定神经元核；使用核RNA测序（nuRNA-seq）分析转录组变化；通过ATAC-seq分析染色质可及性；运用CUT&TAG技术检测H3K27ac组蛋白修饰；采用全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）分析DNA甲基化模式；并通过TF足迹分析预测转录因子结合活性。实验样本来自3周龄雌性C57BL6/J小鼠，分别接受EE、IE和标准条件（SC）饲养处理。

Bidirectional regulation of cognitive capacities by rearing conditions

研究发现，EE和IE对认知能力产生双向调节作用。在标准行为测试中，EE小鼠在情境恐惧条件反射（CFC）中表现出更好的情境记忆，在新物体识别（NOR）任务中能更好地区分熟悉和新颖物体。即使将EE和IE小鼠放回标准环境一个月后，EE-SC小鼠仍在莫里斯水迷宫（MWM）和径向迷宫测试中表现出优越的空间学习能力和记忆保持力，而IE-SC小鼠则显示出更多错误。这些结果表明，在幼年时期经历EE和IE对海马依赖性记忆过程产生持久影响，提示海马神经元中可能存在持久的分子变化。

CA1 and DG excitatory neurons exhibit distinct transcriptional and chromatin profiles

通过多组学分析，研究人员发现CA1和DG兴奋性神经元在SC条件下存在显著的转录组和染色质谱差异。nuRNA-seq鉴定出2552个差异表达基因（DEGs），其中1339个基因在CA1中上调，1213个在DG中上调。CA1神经元中G蛋白偶联受体、血清素能受体和胆碱能受体相关基因高表达，而DG神经元中细胞外基质（ECM）蛋白基因显著富集。表观遗传分析显示，这两种神经元类型在染色质可及性、H3K27ac水平和DNA甲基化模式方面都存在广泛差异，这些差异与它们的细胞类型特异性转录特征正相关。

Intrinsic differences in activity-driven transcription between pyramidal and granule neurons

转录因子足迹分析显示，活性依赖性转录复合物AP-1和NEUROD在锥体神经元的启动子和增强子区域表现出比颗粒神经元更强的预测结合能力。重要的是，研究人员通过FOS ChIP-seq实验验证了AP-1在这些基因组位点的结合。CA1神经元表现出比DG神经元更高的活性诱导基因表达，包括经典的立即早期基因（IEGs）如Arc、Fos、Dusp5、Egr1、Egr2、Homer1、Npas4、Nr4a1和Nr4a2。免疫染色结果显示FOS蛋白在CA1锥体神经元中广泛表达，而在DG层中只有少量稀疏的颗粒神经元显示可检测的FOS水平。

EE enhances and IE downregulates the activity-induced transcriptional program in hippocampal neurons

nuRNA-seq分析显示，IE和EE对CA1和DG兴奋性神经元的转录谱产生相反和细胞类型特异性影响。IE主要驱动CA1锥体神经元中的基因抑制，而EE主要促进DG颗粒神经元中的基因表达。在CA1中，IE下调了大多数DEGs，包括一组高度互连的IEGs；而在DG中，EE负责大多数转录变化，导致大多数DEGs上调。值得注意的是，EE和IE双向调节活性依赖性基因程序：EE增强CA1和DG中IEG表达，而IE抑制CA1中IEG表达。

EE increases chromatin accessibility and modulates DNA methylation in a subset of granule neuron enhancers

表观遗传分析显示，EE特异性增加了DG颗粒神经元中225个差异可及区域（DARs）的可及性，其中221个被分类为增强子。在组蛋白乙酰化方面，饲养条件不会显著影响CA1和DG兴奋性神经元的H3K27ac谱。DNA甲基化分析显示，EE在CA1和DG神经元中都诱导了数百个差异甲基化区域（DMRs），其中超过30%位于启动子或增强子中，表明这些DNA甲基化变化可能影响基因调控。

EE and IE opposingly modulate AP-1 activity and its downstream program in a cell-type specific manner

转录因子足迹分析发现，饲养条件改变了AP-1在CA1和DG兴奋性神经元中的染色质占据。在锥体神经元中，IE条件下AP-1在增强子区域的结合减少；而在颗粒神经元中，EE条件下AP-1在启动子和增强子的结合增加。这些AP-1相关基因显著富集于突触功能术语，根据精心策划的SynGO数据库，超过五分之一的基因被注释为突触基因。网络分析使用STRING表明，AP-1调节基因编码的蛋白质表现出物理或功能相互作用，显著高于偶然水平。

Fos is required for EE-induced cognitive enhancement

为验证AP-1成分FOS在介导环境对认知的影响中的作用，研究人员构建了诱导性、前脑特异性Fos敲除小鼠（Fos-ifKO）。尽管Fos缺失并不阻止小鼠学习任务，但它显著影响了转移阶段的表现。Fos-ifKO小鼠在平台重新定位后表现出更长的潜伏期，表明在EE条件下认知灵活性降低。此外，Fos-ifKO动物在NOR测定中显示出相比对照的适度但显著的内存损伤，这些结果支持AP-1复合物在介导EE对认知能力的有益作用中发挥作用。

研究结论和讨论部分强调，AP-1作为连接幼年期间环境影响与突触基因转录调控的关键桥梁，发挥着至关重要的作用。多组学分析确定了300多个AP-1相关基因，这些基因与环境条件引起的增强子变化相关。这些基因在突触功能方面显著富集，许多AP-1调节基因的改变与学习和记忆缺陷以及自闭症谱系障碍（ASD）相关。

值得注意的是，根据SFARI数据库，306个AP-1相关基因中有64个与自闭症谱系障碍相关，表明饲养条件可能通过AP-1信号传导影响对智力和社会能力至关重要的基因表达。这些发现强调了AP-1在将幼年期间的环境影响与突触基因的转录调控联系起来的关键作用，并强调了增强认知功能和解决神经发育障碍的潜在治疗靶点。

该研究的重要意义在于揭示了不同神经元类型对环境刺激的特异性响应机制，提供了环境因素通过表观遗传机制调控认知发育的分子基础。研究发现富集环境和贫瘠环境通过差异调节AP-1转录因子活性，双向调控突触可塑性相关基因表达，从而产生持久性认知功能改变，为神经发育障碍的环境干预提供了重要分子靶点。