《Science Signaling》：Acetate enhances long-term memory in female mice by sex-, context-, and brain region–specific epigenetic and transcriptional remodeling
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本文揭示代谢中间体乙酸可显著增强雌性小鼠的长时程记忆。该作用在记忆巩固与提取窗口呈现性别、情境与脑区特异的表观遗传（如H2A.Z乙酰化）与转录重塑。乙酸仅在小鼠进行学习任务时给予才能诱导这些分子变化。该研究为开发针对认知障碍、阿尔茨海默病等疾病的新型记忆增强疗法提供了代谢-表观遗传学思路。
乙酸促进雌性小鼠的长时程记忆
神经细胞的关键功能如何受到代谢过程的调节，是一个日益受到关注的科学问题。在大脑等多种组织中，代谢过程深刻影响着表观遗传机制。组蛋白乙酰化就是一个典型例子，它在适应性过程（如长时程记忆的形成）和疾病（如物质使用障碍或抑郁症）的病因学中都扮演着重要角色。一种关键的代谢-表观遗传相互作用机制是由代谢酶ACSS2（短链乙酰辅酶A合成酶家族成员2） 介导的。ACSS2在分化的神经元中定位于染色质，通过将乙酸转化为局部的乙酰辅酶A（acetyl-CoA） 池，为组蛋白乙酰转移酶（HATs）提供底物，从而调控组蛋白乙酰化与基因表达。这一通路对于将酒精衍生的乙酸整合到大脑组蛋白乙酰化中至关重要，并能驱动学习与记忆相关基因的表达。
鉴于乙酸在促进酒精相关记忆中的关键作用，研究者提出假设：乙酸在独立于酒精的背景下，同样能促进学习和记忆形成。如果成立，那么通过乙酸暴露来增强海马依赖性记忆，可能对认知功能受损（如衰老、阿尔茨海默病（AD） 等）的疾病状态具有治疗意义。有研究支持，乙酸能在离体原代海马神经元中诱导与学习记忆相关的转录程序。然而，乙酸对学习和记忆的影响是否能推广到更广泛的适应性情境以及由不同脑区调控的不同类型记忆，尚不清楚。
为了确立乙酸作为记忆增强剂，研究者采用了一系列行为学、蛋白质组学和基因组学方法。
乙酸促进雌性小鼠的长时程记忆
研究者首先通过两种广泛使用的长时程记忆行为学测试——新物体位置识别（NOL） 和新物体识别（NOR） ，来评估乙酸的作用。NOL是背侧海马（dHPC） 依赖的空间记忆测试，NOR则测量皮层和dHPC共同依赖的非空间记忆。研究结果显示，乙酸处理显著增强了小鼠在NOL测试中的表现，无论性别，其平均新奇偏好指数（NPI）均显著高于盐水处理的对照组。虽然该效应并非性别特异，但在雌性小鼠中效果量更大。在NOR测试中，乙酸增强记忆的效果则表现出显著的性别特异性：仅在雌性小鼠中观察到NPI的显著增加，而雄性小鼠则无此效应。综合来看，这些发现表明外源性乙酸促进了长时程记忆，且其效应可能因行为任务类型而存在性别差异。
H2A.Z乙酰化在乙酸处理的雌鼠背侧海马记忆提取后增加
为了阐明乙酸增强记忆的分子基础，研究者分析了在行为测试后（记忆提取时）小鼠不同脑区的组蛋白翻译后修饰（hPTMs）。液相色谱串联质谱分析揭示，乙酸对染色质的影响具有脑区和性别特异性。在记忆提取后，雌性小鼠的dHPC中，乙酸处理显著改变了比皮层更多的hPTMs。而雄性小鼠则相反，其皮层比dHPC受到乙酸的影响更大。
进一步的双向方差分析显示，在dHPC中存在大量呈现显著性别与处理交互作用的hPTMs。在dHPC和皮层两个脑区，受到乙酸显著影响的hPTMs中，很大一部分是组蛋白变体H2A.Z上的乙酰化修饰。在dHPC中，乙酸对H2A.Z乙酰化的影响尤为性别特异：在雌性小鼠的dHPC中，有六个H2A.Zac修饰位点显著富集，其中H2A.Z.1K15ac和H2A.Z.1K11acK15ac是富集程度最高的两种。相比之下，乙酸并未增加雄性小鼠dHPC中任何H2A.Zac修饰的相对丰度。除了H2A.Zac的显著变化，研究者还观察到乙酸对多种H3K27和H3K36甲基化修饰在提取后丰度的影响也存在性别差异，且主要发生在dHPC而非皮层。总体而言，大多数观察到的hPTM变化表明，乙酸处理导致雌性小鼠dHPC在记忆提取后呈现一种染色质更易接近的状态。
乙酸在记忆提取后增强雌鼠dHPC中学习与记忆相关基因的表达
通过RNA测序分析记忆提取后的基因表达变化，研究者发现乙酸处理在dHPC中引起了远比皮层更剧烈的转录组变化。与盐水处理的小鼠相比，乙酸处理后在dHPC中鉴定出5904个差异表达基因（DEGs），而在皮层中仅52个。许多在乙酸处理后上调的dHPC基因，如最显著上调的Furin基因，以及Plxnb2、Wwc1、Rin1等，均已被报道与学习和记忆相关。更重要的是，乙酸处理导致了dHPC中应答基因（RGs） 的普遍上调，这些基因在神经元活动依赖性变化中起关键作用，并与空间记忆形成紧密相关。其中，核受体Nr4a3（一种主要的RG转录因子）的表达在乙酸处理的雌鼠dHPC中显著增加，而在雄性dHPC或任一性别的皮层中均未变化。同样，RG基因Ptgs2和Popdc3也呈现雌性dHPC特异或性别相反的上调模式。
基因本体论分析进一步表明，乙酸上调的dHPC基因在与轴突导向、突触可塑性调控相关的功能上富集，且仅在雌性小鼠中，与记忆相关的基因类别被显著富集。
乙酸以性别特异性方式调控与NOL记忆相关的基因表达
为了更具体地研究乙酸诱导的转录变化如何增强雌鼠dHPC依赖的空间记忆，研究者比较了乙酸在记忆提取后调控的dHPC基因与在盐水处理小鼠中与NOL学习表现相关的基因。结果发现，乙酸上调的基因与NOL学习中上调的基因存在显著方向性重叠，且这种重叠主要由雌性小鼠驱动。而在雄性小鼠中，乙酸下调的基因反而在NOL学习中上调的基因中显著富集。此外，通过与已发表的空间学习相关RNA-seq数据集对比，研究者证实了乙酸在雌性dHPC中诱导上调的基因，与NOL学习上调的基因存在显著重叠，并且超过25%的重叠基因具有染色质相关功能，如Hdac4和一些组蛋白修饰酶。
乙酸在记忆提取后上调的雌鼠dHPC基因与H2A.Z相关
考虑到H2A.Z乙酰化在记忆提取后的显著增加，研究者探索了乙酸调控的基因与H2A.Z调控的基因之间的关系。通过分析已发表的海马神经元H2A.Z基因敲除小鼠的转录组数据，研究者发现，乙酸上调的基因与H2A.Z敲除后下调的基因存在显著重叠，这一重叠在雌性小鼠dHPC中最为显著。相反，在雄性小鼠dHPC中，这种重叠并不显著。此外，乙酸增加了dHPC中已知的H2A.Z伴侣蛋白和乙酰转移酶的表达，如TIP60/p400复合物的成员Ep400和Trrap，以及PHF14复合物成员Tcf20和Rai1。这些乙酸与NOL共同上调的基因也与H2A.Z敲除下调的基因存在重叠，表明其在雌性dHPC中的表达增加依赖于H2A.Z。
乙酸在早期记忆巩固期间诱导dHPC发生性别特异性的组蛋白修饰与基因表达变化
研究者还检测了在NOL学习任务后立即（记忆巩固早期）乙酸对dHPC的影响。质谱分析显示，在巩固窗口期，乙酸引起的hPTM变化模式与记忆提取时不同：H2A.Zac变化较少，且H2A.Z.1K4acK7acK11ac等位点在雄性小鼠dHPC中显著增加。相反，一些经典组蛋白H4的乙酰化修饰则表现出性别依赖性或非依赖性的增加。转录组学分析揭示，在早期巩固期间，雌性与雄性小鼠对乙酸的转录响应几乎不重叠。共有372个基因表现出显著的处理与性别交互效应，主要分为两类：一类在雌性dHPC中上调、在雄性中下调，功能富集于行为、突触传递调控和神经元动作电位；另一类则在雌性中下调、在雄性中上调，功能与脂质生物合成等代谢过程相关。与记忆提取后不同，在巩固期，应答基因（RGs）和单羧酸转运蛋白（MCTs）更多在雄性dHPC中受到乙酸影响而上调。
居家笼乙酸暴露诱导的分子变化不同于学习情境
为了解学习经验与乙酸处理各自贡献的分子变化，研究者分析了未经历行为测试、仅在居家笼环境中接受乙酸注射的小鼠。结果显示，居家笼乙酸诱导的表观遗传重塑模式与学习情境下的模式截然不同。在学习背景下，乙酸诱导的显著性别交互作用或主效应hPTMs更多出现在dHPC（尤其是记忆提取后）；而在居家笼背景下，皮层比dHPC出现了更多此类变化。同样，乙酸对转录组的影响在居家笼小鼠中远弱于记忆提取后，且两者间的转录状态高度情境依赖。最关键的是，居家笼乙酸处理并未重现学习情境下观察到的对NOL相关基因和关键响应基因（如Nr4a3, Ptgs2）的特定方向性调控效应，也未影响那些在提取后被乙酸上调的H2A.Z相关伴侣蛋白基因。
研究意义与展望
本研究确立了中间代谢物乙酸作为大脑关键表观遗传机制和功能相关基因程序的重要调节剂。研究发现，乙酸主要通过增加雌性小鼠dHPC中组蛋白变体H2A.Z的乙酰化以及上调学习和记忆相关基因来增强长时程记忆，这些效应在记忆提取后尤为显著，且具有性别、脑区和情境特异性。H2A.Z在记忆形成中的作用已有广泛报道，其乙酰化被认为可促进记忆。本研究的发现与此一致，并进一步揭示了乙酸促进记忆的潜在代谢-表观遗传-转录调控轴。
该研究结果拓宽了我们对大脑中代谢-表观遗传相互作用的理解，并可能推动针对记忆障碍的新疗法开发。特别是考虑到女性在年龄相关认知衰退和阿尔茨海默病中比例更高，以及H2A.Z水平在衰老和AD（尤其是女性）大脑中会累积，靶向乙酸的代谢途径或增加大脑乙酰-CoA水平，可能成为一种有前景的非侵入性策略，用于改善学习和记忆功能。
此外，乙酸可能通过其他机制影响记忆，例如抑制组蛋白去乙酰化酶（HDACs）、作为神经递质谷氨酸和γ-氨基丁酸的前体，或通过转化为乙酰胆碱来影响胆碱能系统。由于胆碱能系统存在显著的性别差异，未来研究可以进一步探索这些机制在乙酸增强记忆中的作用。同时，本研究未控制雌性小鼠的动情周期，未来实验需要探究激素波动对乙酸效应的影响，并进一步验证乙酸处理与记忆增强之间的因果关系。
总之，这项研究为理解代谢物如何通过精准调控大脑表观遗传景观来影响复杂认知功能提供了重要范例，并为开发基于代谢干预的认知增强疗法指出了新的方向。
