密歇根大學 (UM) 的一個細胞生物學家團隊探索了睡眠依賴性記憶存儲所涉及的機制，發(fā)現(xiàn)與海馬神經(jīng)元中未被研究的細胞區(qū)室相關的 RNA 在學習后睡眠和睡眠剝奪的小鼠之間差異很大。

分子、細胞和發(fā)育生物學系副教授 Sara Aton 和最近的 UM 神經(jīng)科學研究生 James Delorme 假設學習事件和隨后的睡眠(或睡眠不足)都會影響 mRNA 的翻譯。大多數(shù)關于睡眠對 mRNA 影響的先前工作都集中在神經(jīng)元胞質溶膠中的轉錄物上。然而，博士。Aton 和 Delorme 發(fā)現(xiàn)，在學習之后，RNA 的主要變化反而出現(xiàn)——幾乎完全——出現(xiàn)在與神經(jīng)元細胞膜相關的核糖體上。這些結果已于2021 年 11 月 30 日發(fā)表在國家科學院院刊上。

該團隊首先應用了一種常用的生化方法，將海馬組織均質化和離心分離，將細胞質(細胞質的水性成分，較小的細胞器和顆粒懸浮在其中)與通常被認為是“碎片”的其他細胞成分分離(內質網(wǎng)、高爾基體、細胞膜等)。在這項研究中，作者發(fā)現(xiàn)與細胞質中核糖體相關的 RNA 因動物是否睡覺而異，這證實了先前的轉錄組學研究。然而，根據(jù)先前的學習，胞質核糖體幾乎沒有顯示出 RNA 變化。

“如果我們只是停在那里，我們就不會發(fā)現(xiàn)任何新穎或有見地的東西。我們強烈認為我們必須重新考慮我們的方法，”Aton 解釋說。眾所周知，內質網(wǎng)被核糖體覆蓋，核糖體是將 RNA 轉化為蛋白質的機制，Delorme 和 Aton 決定對細胞其他部分的 RNA 進行測序，即細胞質外的“碎片”。正是在研究較少的含膜細胞部分中，他們發(fā)現(xiàn)許多轉錄本受到先前學習的影響。無論動物在學習后是否被允許睡覺——允許存儲新的記憶——或者它們是否被剝奪睡眠，這些修改后的轉錄本也存在顯著差異。這些意想不到的結果為更多調查打開了大門。

Aton 說：“通過觀察細胞的其他區(qū)域，我們現(xiàn)在有能力產生許多關于當記憶被鞏固時以及當鞏固因睡眠剝奪而中斷時在分子水平上會發(fā)生什么的新假設。”

例如，在學習后睡覺的動物中，Aton 和 Delorme 觀察到在海馬神經(jīng)元膜部分中編碼蛋白質合成機制成分的轉錄本豐度增加。一種假設是測試學習后睡眠后膜相關核糖體的蛋白質產量是否確實增加。

除了 mRNA，作者還發(fā)現(xiàn)學習導致長非編碼 RNA 與神經(jīng)元膜結合核糖體的關聯(lián)發(fā)生變化。這些可以在調節(jié)其他轉錄本的翻譯中發(fā)揮作用，應該進行調查。“這些細胞已經(jīng)發(fā)展出非常優(yōu)雅的機制來微調從轉錄到翻譯的過程，長非編碼 RNA 可能是大腦這一部分的其中之一，”Aton 說。

她通過將神經(jīng)元比作一個大型倉庫進一步解釋了，需要復雜的物流來快速響應遠程細胞過程中對新蛋白質的需求，需要準備和分配適應過程。“神經(jīng)元必須在合理的時間范圍內交付‘包裹’，在需要時，無論該位置有多遠。神經(jīng)元已經(jīng)進化到可以做到這一點，這是一個需要研究的巨大生物學問題。理解這一點很重要這種生物學是如何運作的，因為除了存儲新記憶之外，它還影響再生、退化和神經(jīng)系統(tǒng)疾病，”Aton 總結道。