海马区细胞特异性染色质可及性与基因表达动态响应新环境刺激的时空特征研究

本研究针对自然刺激下海马区细胞特异性基因调控机制不清的问题，通过单核多组学测序（snMultiome-seq）和区域特异性RNA测序，系统解析了小鼠暴露于新环境（NE）后海马DG/CA3/CA1区兴奋性神经元、抑制性神经元及非神经细胞的时空动态响应。研究发现FOS/AP-1转录因子通过调控染色质开放区域驱动分泌因子等晚期响应基因（LRG）的细胞特异性表达，为理解学习记忆的分子机制提供了新视角。成果发表于《Nature Communications》。

　　

大脑如何将外界环境刺激转化为持久的记忆痕迹？这一过程的核心在于海马区神经元的可塑性变化。既往研究多采用强直电刺激或化学诱导癫痫等非生理性刺激，而自然情境下的分子响应机制仍如"黑箱"。更关键的是，海马区不同亚区（DG、CA3、CA1）虽在记忆编码中各司其职，但其响应自然刺激的时空特异性基因程序尚未系统解析。Lisa Traunmüller团队在《Nature Communications》发表的研究，犹如为这个"黑箱"安装了一台高精度显微镜。

研究采用两大关键技术：一是时间分辨的批量RNA测序，对经历30分钟新环境暴露的小鼠海马三个亚区进行24小时内10个时间点的转录组动态捕捉；二是单核多组学测序（snMultiome-seq），同步分析66,345个细胞核的染色质开放状态（ATAC-seq）和转录组（RNA-seq）。实验样本来自8-10周龄C57BL/6J雄性小鼠，通过标准化新环境装置（含跑轮、隧道等刺激物）进行行为干预。

区域特异性基础表达差异

通过对比稳态下海马各亚区转录谱，发现CA1富集突触信号相关基因（如Grin1），CA3高表达神经肽Scg2，DG特异性表达发育调控因子Bcl6。单核数据进一步揭示这些差异主要源自兴奋性神经元，但PV/SST抑制性神经元和少突胶质细胞也贡献了区域特异性特征。

NE诱导的时空动态响应

30分钟NE暴露后，所有海马亚区在2小时内均快速诱导早期响应基因（ERG）如FOS、EGR1。有趣的是，单核数据揭示这些转录因子在单个神经元内呈现协同表达模式。而≥2小时出现的晚期响应基因（LRG）则展现出鲜明的区域特异性：CA1上调神经营养因子Bdnf和TGF-β成员Inhba；CA3特异性诱导基质蛋白Mgp；DG富集内质网伴侣蛋白Calr。这些LRG显著富集于"胞外分泌"相关通路，暗示其可能通过旁分泌调控神经微环境。

持续暴露的累积效应

6小时持续NE暴露引发更显著的LRG表达，如CA1区Inhba表达增幅扩大3倍。但与癫痫模型相比，NE选择性地激活神经可塑性相关基因（如Scg2、Nptx2），而非应激相关基因，提示自然刺激更倾向于激活适应性程序。

染色质调控机制

通过ChromVAR分析发现，FOS/AP-1结合基序在神经元特异性开放区域高度富集。例如Scg2基因座同时存在组成型开放区域和CA1/CA3特异性NE诱导开放区域。这种染色质动态变化与基因诱导程度显著相关，如携带高FOS/AP-1可及性评分的细胞中，已知靶基因表达量提升2.7倍。

该研究首次绘制了自然刺激下海马区细胞特异性表观遗传-转录组动态图谱，揭示FOS/AP-1作为"分子开关"协调区域特异性神经可塑性程序。发现的配体-受体对（如CCN1-小胶质细胞受体）为理解细胞间通讯提供了新靶点。研究者建立的开放数据库（https://greenberg.hms.harvard.edu/project/novel-environment-gene-database/）将成为研究经验依赖性可塑性的重要资源。未来通过扰动特定LRG或染色质区域，有望精确调控记忆编码的分子程序。