12月20日，深圳湾实验室神经疾病研究所客座教授Nobuhiko Yamamoto（山本亘彦）、大阪大学大学院前沿生命机能研究科研究生Yuri Atsumi和特聘副教授Noriyuki Sugo领导的研究小组在Cell Reports上发表了题为"Repetitive CREB-DNA interactions at gene loci predetermined by CBP induce activity-dependent gene expression in human cortical neurons "的论文。在这项研究中，他们利用单分子成像技术揭示了人源干细胞诱导的神经元中 cAMP 反应元件结合蛋白（CREB）和 CREB 结合蛋白（CBP）的时空动态变化特征，发现神经元活动诱导 CREB-CBP 在特定基因位点重复出现，而这些基因位点是由 CBP 组蛋白乙酰转移酶活性预先决定的。
当神经元受到刺激时，数以百计的突触可塑性基因会被激活。CREB 是一种转录因子，它通过与特定的 DNA 序列结合来促进依赖于活动的基因表达。虽然生化研究已经证明了 CREB 的激活途径和靶基因，但目前对 CREB 与 CBP 等表观遗传因子合作促进基因表达的时空动态变化却知之甚少。此外，由于这些分子机制的研究主要是在啮齿类动物上进行的，因此使用人类神经元进行研究对于揭示进化和病理特征至关重要。
为了克服这些挑战，该研究小组与 VIB-KU（比利时）的 Pierre Vanderhaeghen 教授和 Ryohei Iwata 博士合作，建立了从人类 ES 细胞分化出的皮质神经元培养系统（图 1，左上方）。利用高度倾斜的层叠光学薄片显微镜，他们在单分子水平上观察到了荧光标记的 CREB 和 CBP。此外，研究小组还与东京工业大学 Hiroshi Kimura 教授的研究小组合作，对 CREB 和 RNA 聚合酶 II（RNAPII）进行了同步成像。结果，研究小组发现：(1) 甚至在神经活动增加之前，一些特定基因位点就已被 CBP 的组蛋白乙酰转移酶活性高度乙酰化（图 1 左下）。(2）当神经元受到刺激时，CREB 会与 CBP 一起重复结合到基因位点上（图 1 右上），从而导致活化的 RNAPII 的积累（图 1 右下）和基因表达的启动。
因此，研究小组揭示了由这两个步骤组成的分子机制是基因调控活动依赖性的原因。将这项研究的成像方法与 iPS 细胞技术相结合，并应用于患者衍生细胞，有望进一步了解神经精神疾病的病理生理学机制。
图1. 从人类ES细胞分化而来的皮质神经元的单分子成像（左上）显示，当神经元活动被激活时，CREB会反复与特定基因位点结合（右上）。这些基因位点是CBP预定的组蛋白乙酰化位点（左下），RNAPII在这些位点聚集并诱导基因表达（右下）。虚线代表细胞核的轮廓。比例尺：50μm（左上），5μm（其他）。
原文信息：
来源 | 神经所
欢迎投稿、建议 | media@szbl.ac.cn
