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커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 18(2023) 이 기사 인용

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유산소 운동은 신경가소성과 해마 기억을 촉진하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 발달 중인 뇌에서 조기 운동(ELE)은 해마 기능의 지속적인 개선으로 이어질 수 있지만, 이 현상의 기초가 되는 분자 메커니즘은 완전히 탐구되지 않았습니다. 이 연구에서 Emx1 발현 뉴런("Emx1-NuTRAP" 마우스)에 "NuTRAP"(핵 태깅 및 리보솜 친화성 정제 번역) 카세트가 포함된 형질전환 마우스는 청소년기 동안 ELE를 겪습니다. 그런 다음 Emx1 발현 뉴런을 포함하는 단일 해마 균질액에서 mRNA와 핵 염색질을 번역하는 동시에 분리하고 서열을 분석합니다. 이 접근법을 통해 우리는 ELE 후 mRNA 번역에 대한 히스톤 변형 H4K8ac 및 H3K27me3의 영향을 평가하기 위해 Translatomic과 Epigenomic 시퀀싱 데이터를 결합할 수 있었습니다. ELE 마우스의 하위 집합은 개선된 해마 기억 성능에 대한 ELE의 기여에 대한 유전자 발현 및 후생적 토대를 결정하기 위해 해마 학습 작업을 수행했습니다. 이 실험에서 우리는 ELE 후 촉진된 기억에 중요한 역할을 할 수 있는 유전자 발현, 즉 히스톤 변형 관계를 발견했습니다. 우리의 데이터는 후보 유전자-히스톤 변형 상호 작용을 밝히고 ELE가 해마 기억에 미치는 영향과 관련된 유전자 조절 경로를 암시합니다.

환경적 경험은 유사분열 후 뉴런의 유전자 발현과 세포 기능을 조절하는 후성유전적 메커니즘과 관련이 있습니다1,2. 히스톤 변형과 DNA 메틸화는 전사와 시냅스 기능을 변경하여 환경 신호에 대한 신경 세포의 적응에 특히 중요합니다3,4. 스트레스 감수성, 보상 추구 및 장기 기억과 같은 행동 결과는 뉴런5,6,7,8,9의 염색질 접근성 및 유전자 발현의 변화를 포함하는 것으로 나타났습니다. 이 외에도 신경 염색질 환경은 뇌 성숙 자체의 함수로서 후생적 변형의 물결을 겪습니다. 환경 자극에 대한 민감도가 높아지는 출생 후 기간은 세포 기능에 지속적인 변화를 가져올 수 있으며 발달 중인 뇌의 일시적인 특정 후생유전적 메커니즘으로 인해 발생할 수 있습니다13,14. 유사분열 후 뉴런의 유전자 조절 메커니즘이 초기 생애 경험에 의해 고유하게 영향을 받아 장기적인 기능을 알리는지 여부는 이제 막 탐구되기 시작한 질문입니다. 특히 뇌 발달 과정에서 뉴런 기능 조절과 관련된 후생적 과정을 식별하는 것은 어린 시절의 경험이 장기적인 행동 결과에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 데 중요합니다.

유산소 운동은 성인 인간과 동물 모델 모두에서 해마와 관련된 인지 작업의 성능을 향상시킵니다15,16. 운동 노출의 유형, 시기 및 기간은 해마 기능에 지속적인 영향을 미치는지 여부와 관련하여 중요합니다17,18,19. 청소년 및 성체 설치류 모두에서 발견된 사실은 운동으로 인한 해마 기억의 이점 메커니즘에서 히스톤 변형 효소의 역할을 암시합니다. 자발적인 운동이나 HDAC3 억제제를 사용한 치료는 모두 역치 이하 학습 자극 후 해마 기억을 활성화하고, 뇌 유래 신경 영양 인자(BDNF) 유전자 발현을 증가시키며, 특정 BDNF 엑손의 프로모터에서 H4K8의 아세틸화를 촉진합니다20,21,22. 이는 운동이 해마 가소성을 촉진하기 위해 후생적 조절 메커니즘과 관련되어 있음을 시사합니다. 흥미롭게도 성인 운동은 재활성화 운동 노출이 도입될 때 해마 기억 성능의 지속적인 개선을 위한 일시적인 창을 열어 초기 운동의 "분자 기억"을 암시합니다. 이러한 연구 중 다수가 성인을 대상으로 수행되었지만 최근 연구에서는 운동이 해마 기억, 신경 영양 인자 발현의 변화, 시냅스 가소성 및 신경 발생에 미치는 영향이 청소년기와 청소년기에서 유사하다는 것을 보여줍니다17,24,25,26,27 . 우리 연구실의 이전 연구 결과는 1주(청소년기, 출생 후 일(P) 21-27) 또는 3주(청소년-청소년기, P21-41) 동안의 조기 운동(ELE)이 해마 장기 기억 형성을 촉진한다는 것을 보여줍니다. 일반적으로 장기 기억을 형성하는 데 불충분한 학습 자극에 대한 반응입니다. 이 발견은 해마 CA117의 시냅스 생리학에 대한 조절뿐만 아니라 장기 강화(LTP) 증가와 관련이 있었습니다. 특히, 청소년 ELE의 해마 기억 효과는 운동 중단 후에도 2주 동안 지속되었으며, 이는 성인 해마 기능에 대한 운동 효과보다 잠재적으로 더 길었습니다23. 이러한 연구 결과를 종합해보면, 운동(유년기이든 성인기이든)이 미래 경험(예: 미래의 운동 시합 또는 해마 학습 이벤트)에 대한 반응을 촉진하기 위해 해마 기능을 "주요"할 수 있다는 것이 가능합니다. 후성유전 메커니즘은 효율적인 유전자 발현을 위한 염색질 환경을 준비함으로써 후성유전체가 운동 경험의 분자 기억을 나타낼 수 있고 이를 통해 신경 기능과 행동 출력을 조절할 수 있다는 점에서 운동의 프라이밍 효과에 대한 강력한 후보입니다. ELE의 지속적인 행동 및 전기 생리학적 효과의 기본이 되는 특정 메커니즘은 후성유전체 내 ELE의 잠재적인 분자 기억의 관점에서 평가되지 않았습니다.

8 for all samples, average yield RNA = 14.367 ng/ul; Supplementary Data 2)28. INTACT-isolated nuclei were further processed using the cleavage under targets and release using nuclease (CUT&RUN38) method to isolate antibody-specific protein-DNA interactions for downstream DNA sequencing. The resulting DNA libraries were of high quality and concentration when using specific antibodies (H4K8ac: average size = 1238 bp, average concentration = 126.8 nM; H3K27me3: average size = 1032 bp, average concentration = 146.5 nM; Supplementary Data 2). In contrast, the resulting DNA libraries using the non-specific IgG control had substantially lower concentrations (IgG: average size = 1035 bp, average concentration = 24.2 nM; Supplementary Data 2) further indicating that nuclear DNA from both isolations was of high starting quality./p> 8 for all samples; Simultaneous isolations: average RNA concentration = 14.367 ng/ul, RIN > 8 for all samples; Supplementary Data 2). The average RNA yield from the separate isolations (using a unilateral hippocampus) was approximately equal to half of the average yield of the simultaneous isolations (which combined bilateral hippocampi; Supplementary Data 2). Similarly, the final library concentrations for the separately isolated IgG CUT&RUN-seq libraries were also approximately half the concentration of the simultaneous isolations (average simultaneous: 24.2 nM, average separate: 11 nM; Supplementary Data 2). We interpret this to mean that nuclear DNA was fully intact in the simultaneous isolation because we did not obtain substantially more than double the concentration in the simultaneous vs separate isolations. Unilateral hippocampal homogenates yielded sufficient sequencing concentrations and quality to allow for library preparations from individual mice (Supplementary Data 2)./p>0.5 and p value < 2.2 × 10−16 (R = 1, p < 2.2 × 10−16; Fig. 2a). Next, CUT&RUN-seq was used to identify genomic regions interacting with two histone post-translational modifications (PTMs) of interest in the exercise and hippocampal memory fields: H4K8ac, a permissive histone mark associated with active transcription, or H3K27me3, a generally repressive histone PTM. We again applied Spearman's correlation to understand whether the simultaneous vs separate INTACT isolation methods could influence CUT&RUN-seq peak distribution. We compared normalized count data for CUT&RUN-seq peaks across a representative chromosome (chromosome 2). We binned 100 bp increments along the entire chromosome from the simultaneous and separate isolations using datasets generated from sedentary mice in our study. Normalized sequencing counts, which reflected reads assigned to binned genomic regions along chromosome 2, were highly similar between separate vs simultaneous conditions (H4K8ac: R = 0.65, p < 2.2 × 10−16; H3K27me3: R = 0.81, p < 2.2 × 10−16; Fig. 2b, c). Taken together, these experiments suggest that translating mRNA and nuclear DNA isolated from hippocampal homogenates using either simultaneous or separate isolation procedures are comparable in terms of quality, concentration, functional characterization, and normalized sequencing reads./p>0.5 and p value < 2.2 × 10−16; Fig. 3g–i). Overall, left and right hippocampal hemispheres did not demonstrate significant differences in normalized sequencing counts and peak distributions in the sedentary condition, suggesting that choice of hippocampal hemisphere is a less important factor to consider in obtaining representative data from the translatome and transcriptional regulation via histone modifications./p>30% expression increase with a p value < 0.05) our TRAP-seq revealed 297 upregulated and 338 downregulated hippocampal genes resulting from ELE (Fig. 4a and Supplementary Data 3). Many of the genes upregulated after ELE are known to be involved in exercise and/or hippocampal memory mechanisms, including Bdnf44 and Nr4a145. To functionally categorize ELE-induced DEGs, we performed a Panther Gene Ontology (GO) analysis46 focusing on the Molecular Function categorization and separated by upregulated and downregulated genes. Regardless of gene expression directionality, GO term categories with the most genes functionally assigned to them were "binding", "catalytic activity", "molecular function regulator", "transporter activity", "molecular transducer activity", and "structural molecule activity" (Fig. 4b). Many of the upregulated genes driving these categories are known to have critical roles in neuronal function (Kcna1, Slc24a4, Stxbp5l, Gabra2, and Camk2n2), neurodevelopment (Artn, Kdm7a, Sox21, Gap43, and Efna5), and hippocampal memory (Bdnf, Nr4a1 and Dusp5)./p>0.3785 and p-value < 0.05). b Panther Gene Ontology: Molecular Function top terms by most genes assigned. c Top 6 "Upstream Regulators" identified by Ingenuity Pathway Analysis (IPA). d Representative Gene Set Enrichment Analysis: Reactome leading-edge diagrams showing genes upregulated (d) or downregulated (d′) in ELE, and their categories of enrichment. *Abbreviated terms in d: (1) "transport of mature mRNAs derived from intronless transcripts", d′: (2) "activation of the mRNA upon binding of the cap binding complex and EIFs and subsequent binding to 43S", (3) srp-dependent cotranslational protein targeting to membrane, and (4) response of eif2ak4 gcn2 to amino acid deficiency./p>

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