《Neurobiology of Disease》：Activity-dependent DNA methylation and demethylation: epigenetic regulators of learning and memory
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学习与记忆是基本的认知过程，依赖活动依赖性表观遗传机制来塑造突触和神经元可塑性。其中，DNA甲基化和去甲基化已成为将短暂神经活动转化为持久转录程序的关键调控因子。在哺乳动物中，DNA甲基化修饰包括5-甲基胞嘧啶（5mC）、研究较少的N6-甲基腺嘌呤（6mA）以
学习与记忆是基本的认知过程，依赖活动依赖性表观遗传机制来塑造突触和神经元可塑性。其中，DNA甲基化和去甲基化已成为将短暂神经活动转化为持久转录程序的关键调控因子。在哺乳动物中，DNA甲基化修饰包括5-甲基胞嘧啶（5mC）、研究较少的N6-甲基腺嘌呤（6mA）以及更为神秘的N4-甲基胞嘧啶（4mC）。与5mC相比，6mA和4mC的丰度、基因组分布和调控作用仍未完全明确，部分原因是其丰度低和存在技术挑战，但这些非经典修饰可能在某些特定生物学环境中提供额外的调控层次。因此，本综述聚焦于神经系统中研究最充分的通路，即5mC及其活动调控的氧化转化。该系统包含一系列动态的胞嘧啶修饰，包括5mC、5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）、5-甲酰胞嘧啶（5fC）和5-羧基胞嘧啶（5caC），这些修饰由不同的酶家族（如DNMTs、TETs和TDG）协调完成。研究人员综述了当前关于这些调控因子如何塑造学习和记忆相关的活动诱导基因表达程序的见解，并讨论了失调的DNA（去）甲基化如何导致神经退行性疾病（特别是阿尔茨海默病）中转录调控受损和认知衰退。最后，研究人员强调了DNA修饰高分辨率定位技术的最新进展，这些技术正在扩展研究人员解析大脑中细胞类型和位点特异性表观遗传动态的能力。对这些通路的更深入理解可能为保留或恢复神经系统疾病中的认知功能提供靶向策略。
1. 引言：学习与记忆依赖于活动依赖性表观遗传机制，特别是DNA甲基化和去甲基化。这些机制将短暂的神经活动转化为持久的转录程序，从而调控突触可塑性。本综述聚焦于5-甲基胞嘧啶（5mC）及其氧化衍生物，并简要提及N6-甲基腺嘌呤（6mA）和N4-甲基胞嘧啶（4mC）等非经典修饰。
2. DNA甲基化与去甲基化通路：
2.1 5mC沉积通路：5mC由DNA甲基转移酶（DNMTs）以S-腺苷甲硫氨酸（SAM）为甲基供体催化生成。DNMT1维持半甲基化CpG位点的甲基化，DNMT3A和DNMT3B催化从头甲基化。UHRF1识别半甲基化位点并招募DNMT1，同时激活其活性。DNMT3A还参与非CpG甲基化，并在神经元中持续表达。
2.2 5mC去甲基化通路：主动去甲基化由TET酶启动，将5mC依次氧化为5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）、5-甲酰胞嘧啶（5fC）和5-羧基胞嘧啶（5caC），随后经胸腺嘧啶DNA糖基化酶（TDG）启动的碱基切除修复（BER）恢复为未修饰胞嘧啶。此外，AID/APOBEC家族可脱氨基修饰的胞嘧啶，产生5-羟甲基尿嘧啶（5hmU）并经BER修复。
2.3 6mA和4mC：6mA和4mC在哺乳动物中丰度极低。6mA的候选写入因子包括N6AMT1和METTL4，候选擦除因子包括ALKBH1和ALKBH4。4mC在真核生物中仅在少数物种中报道，如地钱中作为转录抑制因子。
3. DNA甲基化和去甲基化在学习与记忆中的作用：
3.1 5mC：5mC动态调控转录因子结合和甲基化CpG结合蛋白（如MeCP2）的招募，从而调节染色质状态。活动依赖性5mC变化发生在记忆相关基因如Bdnf、Reln、Pp1等启动子。恐惧记忆形成伴随着特定基因的甲基化改变。
3.2 5hmC：5hmC在神经系统中富集，特别是在活跃基因的基因体和增强子区域。阅读蛋白如MeCP2和UHRF2识别5hmC，参与染色质重塑。活动诱导5hmC增加于c-Fos、Bdnf等基因的启动子，其稳态破坏与认知功能障碍相关。
3.3 其他衍生物：5fC、5caC和5hmU丰度较低，但可稳定存在。5fC在神经元去极化后发生基因组重新分布，5hmU的积累与嗅觉相关学习记忆缺陷有关。
3.4 6mA：脑内6mA含量为ppm级，在应激和恐惧消退训练后可发生变化。线粒体DNA上的6mA参与代谢应激调节。N6AMT1通过调节海马神经干细胞的6mA影响神经发生和空间记忆。
4. 酶调控因子：
4.1 DNMTs：DNMT3A2受神经元活动诱导，是长时程记忆形成所必需。DNMT1和DNMT3A的联合缺失损害突触可塑性。DNMT3A在出生后神经元中建立非CpG甲基化。
4.2 TETs：TET1具有两种亚型（TET1fl和TET1s），对记忆具有相反效应。TET2敲除增强空间和恐惧记忆。TET3参与活动诱导的5hmC重塑和成体神经发生。
4.3 GADD45家族：GADD45α调控Bdnf启动子活性并影响长时程增强。GADD45β促进神经祖细胞增殖和树突生长。GADD45γ参与学习诱导的DNA去甲基化。
4.4 TDG和AID：TDG是TCF20的靶基因，调控神经发生。AID可调节Bdnf启动子的甲基化状态。
5. 记忆相关神经退行性疾病中的DNA（去）甲基化：
5.1 AD发病机制：AD大脑中5mC和5hmC水平改变，TET表达下调。基因启动子如App和MAPT的甲基化变化影响基因表达。LINE-1甲基化与认知功能相关。
5.2 早期检测生物标志物：AD早期出现位点特异性甲基化改变，如Ank1高甲基化和Oxt低甲基化，这些改变可在血液中检测。cfDNA的5hmC特征可区分AD患者。
5.3 其他疾病：脆性X相关震颤/共济失调综合征（FXTAS）中5hmC基因组水平降低。亨廷顿病（HD）中纹状体和皮层5hmC减少，TET2和TET3下调。
6. 未来展望：大脑细胞异质性是需要解决的问题。新兴技术如单细胞测序、无重亚硫酸盐测序和表观遗传编辑将推动对DNA修饰在记忆中作用的理解，并促进生物标志物和靶向治疗的发展。
