ส่วนที่ 1: ระเบียบ Epigenetic ของยีน Circadian Per1 มีส่วนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่เกี่ยวข้องกับอายุในความทรงจำของฮิปโปแคมปัส
Mar 19, 2022
ติดต่อ: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com
Janine L. Kwapis1,2,3, Yasaman Alaghband1,2, Enikö A. Kramár1,2, Alberto J. López1,2, Annie Vogel Ciernia4, André O. White5, Guanhua Shu1,2, Diane Rhee1,2,
Christina M. Michael1,2, Emilie Montellier6, Yu Liu7,8, Christophe N. Magnan7,8, Siwei Chen7,8, Paolo Sassone-Corsi6, Pierre Baldi7,8, Dina P. Matheos1,2 & Marcelo A. Wood1,2 ,3
ความแก่มาพร้อมกับความบกพร่องทั้งจังหวะชีวิตและระยะยาวหน่วยความจำ. ทั้งที่ชัดเจนว่าหน่วยความจำประสิทธิภาพได้รับผลกระทบจากการหมุนเวียนของ circadian ไม่ทราบว่าการหยุดชะงักตามอายุของนาฬิกา circadian ทำให้ hippocampal บกพร่องหรือไม่หน่วยความจำ. ในที่นี้ เราแสดงให้เห็นว่า histone deacetylase HDAC3 ที่ยับยั้งการกดทับนั้นจำกัดหน่วยความจำระยะยาว, synaptic plasticity และการแสดงออกที่เกิดจากประสบการณ์ของยีน Perlin ในฮิบโปแคมปัสที่มีอายุมากขึ้นโดยไม่กระทบต่อรูปแบบกิจกรรมของสิ่งมีชีวิตที่เป็นจังหวะ นอกจากนี้เรายังแสดงให้เห็นว่า hippocampal Per] มีความสำคัญในระยะยาวหน่วยความจำรูปแบบ. ข้อมูลของเราร่วมกันท้าทายแนวคิดดั้งเดิมที่ว่าการเปลี่ยนแปลงในนาฬิกาชีวิตหลักทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่เกี่ยวข้องกับชีวิตในหน่วยความจำการก่อตัวและแทนที่จะโต้แย้งบทบาทที่เป็นอิสระมากขึ้นสำหรับการทำงานของยีนนาฬิกาชีวิตในเซลล์ฮิปโปแคมปัสเพื่อเปิดประตูความเป็นไปได้ของการสร้างหน่วยความจำระยะยาว
สัตว์มีนาฬิกาชีวิตภายในที่ขับเคลื่อนกระบวนการทางชีววิทยาเป็นจังหวะทุก ๆ 24 ชั่วโมง จังหวะการเต้นของหัวใจทำให้เกิดเหตุการณ์ทางสรีรวิทยามากมาย รวมถึงวงจรการนอนหลับ-ตื่น พฤติกรรมการให้อาหาร อุณหภูมิของร่างกาย และการเผาผลาญอาหาร ในนาฬิกาชีวิตหลัก นิวเคลียส suprachiasmatic (SCN) กลุ่มของยีนนาฬิกาแกนกลางจะสั่นในวงจรป้อนกลับเชิงลบที่วนรอบทุกๆ ~24 ชั่วโมง1,2 นอกจากการควบคุมกระบวนการทางชีววิทยาพื้นฐานแล้ว นาฬิกาชีวิตยังมีอิทธิพลอย่างมากต่อหน่วยความจำ. หน่วยความจำระยะยาว ซึ่งขึ้นอยู่กับการถอดความ แสดงผลช่วงเวลาที่ชัดเจน โดยมีประสิทธิภาพหน่วยความจำสูงสุดในระหว่างวัน (เฟสที่ไม่ใช้งาน) ในหนูเมาส์3,4 น่าสังเกตทั้งระยะยาวหน่วยความจำและจังหวะการเต้นของหัวใจจะลดลงเมื่ออายุ 5 ปี ซึ่งบ่งชี้ว่ากลไกระดับโมเลกุลทั่วไปอาจรองรับกระบวนการทั้งสองได้ แนวคิดหนึ่งคือยีนของนาฬิกาอยู่ในหน่วยความจำ- โครงสร้างที่เกี่ยวข้อง เช่น dorsal hippocampus อาจทำให้สัตว์ไม่สามารถสร้างได้ในระยะยาวหน่วยความจำตามเวลาของวันที่ 6 ในทำนองเดียวกัน การหยุดชะงักของยีนนาฬิกาหลายตัวในสมองอาจทำให้ความจำระยะยาวของฮิปโปแคมปัลบกพร่องในสัตว์เล็ก เนื่องจากยังไม่มีการศึกษาใดที่ขัดขวางการทำงานของยีน circadian ภายในฮิปโปแคมปัสหลัง จึงไม่ชัดเจนว่ายีนนาฬิกาทำงานภายในเซลล์ฮิปโปแคมปัสที่จะส่งผลกระทบในระยะยาวหรือไม่หน่วยความจำการก่อตัวหรือการที่ความจำบกพร่องเหล่านี้เป็นผลมาจากผลกระทบนอกเป้าหมายในส่วนอื่นๆ ของสมอง เช่น จังหวะการทำงานของชีวิตบกพร่อง การนอนหลับไม่เพียงพอ หรือแม้แต่พัฒนาการผิดปกติ
การแสดงออกของยีนจะลดลงในสมองที่มีอายุมากขึ้น ซึ่งอาจเป็นผลมาจากโครงสร้างโครมาตินที่กดขี่มากขึ้น การถอดเสียงถูกควบคุมบางส่วนผ่านการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโครมาติน ซึ่งสามารถส่งเสริมหรือจำกัดการเข้าถึง DNA ของเซลล์ประสาทแบบไดนามิกหลังจากเหตุการณ์การเรียนรู้ สมมติฐานหนึ่งที่ Barnes และ Sweatt เสนอคือ epigenome มีการเปลี่ยนแปลงในเซลล์ประสาทที่แก่ชรา ส่งผลให้เกิดโครงสร้างโครมาตินที่กดขี่ซึ่งป้องกันการแสดงออกของยีนปกติที่จำเป็นสำหรับการสร้างความจำระยะยาว7 การศึกษาหลายชิ้นสนับสนุนแนวคิดนี้ซึ่งแสดงให้เห็นกลไกการปรับเปลี่ยนฮิสโตนที่เปลี่ยนแปลงไปในสมองที่มีอายุมากขึ้น8–10 อย่างไรก็ตาม ไม่ว่ากลไกการดัดแปลงโครมาตินจะควบคุมการแสดงออกของยีน circadian อย่างผิดปกติในการเรียนรู้ที่สำคัญและหน่วยความจำบริเวณสมองไม่เป็นที่รู้จัก ในที่นี้ เราตรวจสอบความเป็นไปได้นี้โดยเน้นที่บทบาทของการควบคุมที่ขึ้นกับ histone deacetylase 3 (HDAC3) ของความจำและการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับอายุ เราพบว่าการลบหรือการหยุดชะงักของ HDAC3 ในฮิปโปแคมปัสหลังช่วยแก้ไขความบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับอายุในความจำระยะยาวและการเปลี่ยนแปลงรูปร่างในหนูอายุ 18- เดือน ซึ่งเป็นผลที่ดูเหมือนว่าจะเป็นสื่อกลางในบางส่วนโดยนาฬิกาชีวิตหลัก ยีนระยะเวลา1 (Per1). โดยกว้าง งานนี้แนะนำว่า Per1 อาจเป็นกลไกที่เอื้อต่อการด้อยค่าที่เกี่ยวข้องกับอายุทั้งในระยะยาวหน่วยความจำและจังหวะการเต้นของหัวใจขึ้นอยู่กับโครงสร้าง
ผลลัพธ์
HDAC3 มีส่วนช่วยในเรื่องอายุหน่วยความจำความบกพร่อง เราทดสอบครั้งแรกว่า histone deacetylase HDAC3 ที่อดกลั้นมีบทบาทในการที่เกี่ยวข้องกับอายุหรือไม่หน่วยความจำปฏิเสธ. HDAC3 เป็นตัวควบคุมเชิงลบที่มีศักยภาพในการสร้างหน่วยความจำและการหยุดชะงักของ HDAC3 ในสัตว์เล็กสามารถเปลี่ยนเหตุการณ์การเรียนรู้ระดับล่างให้เป็นหน่วยความจำระยะยาวถาวรแบบถาวรสำหรับงานหลาย ๆ 11-14 เราใช้สองวิธีในการรบกวน HDAC3 ในหนูเมาส์หลังฮิปโปแคมปัสของหนูอายุมาก (18-เดือน) ขั้นแรก เราสร้างการลบโฮโมไซกัสโฟกัสของ HDAC3 โดยผสม AAV21-CaMKII-Cre recombinase (1 ไมโครลิตรต่อด้าน) ลงในฮิปโปแคมปิหลังของหนูเมาส์ HDAC3flox/flox (รูปที่ 1a เพิ่มเติม) อย่างที่สอง เพื่อเลือกสกัดกั้นการทำงานของเอนไซม์ของ HDAC3 เราใช้ไวรัสกลายพันธุ์จุดลบที่โดดเด่น AAV2.1-CMV- HDAC3(Y298H)-v5 ที่บล็อกการออกฤทธิ์ของ HDAC3 deacetylase โดยไม่กระทบต่อปฏิกิริยาระหว่างโปรตีนกับโปรตีนโดยเฉพาะ (ดู อ้างอิง 12,15–17 รูปเสริม 1b) ไวรัสถูกฉีดเข้าไป 2 ตัวสัปดาห์ก่อนการฝึก ช่วยให้สามารถควบคุมการปรับ HDAC3 ของเราในเชิงพื้นที่และเวลาได้อย่างแน่นหนา เพื่อหลีกเลี่ยงผลข้างเคียงที่อาจเกิดขึ้นจากการหยุดชะงักของ HDAC3 เป็นเวลานานในระหว่างการพัฒนา18,19 สองสัปดาห์หลังจากการแช่ AAV-CaMKII-Cre (รูปที่ 1c เสริม) เราสังเกตว่าการแสดงออกของ Hdac3 mRNA ไม่ได้รับผลกระทบจากการฝึกในตำแหน่งของวัตถุหน่วยความจำ(OLM) แต่การลบทางพันธุกรรมของฮิปโปแคมปัล Hdac3 ขัดขวางการแสดงออกของ Hdac3 mRNA (รูปที่ 1d เสริม) นอกเหนือจากโปรตีน HDAC3 (รูปที่ 1a เสริม)
เพื่อตรวจสอบว่าการลบ HDAC3 ดีขึ้นหรือไม่หน่วยความจำในหนูอายุมาก เราได้ทดสอบผลกระทบของการลบ HDAC3 ของฮิปโปแคมปัส (HDAC3flox/flox) หรือการหยุดชะงักของกิจกรรม (HDAC3 (Y298H)) กับหน่วยความจำระยะยาวสำหรับ OLM (รูปที่ 1a) สอดคล้องกับรายงานจำนวนมากเกี่ยวกับความบกพร่องของหน่วยความจำฮิปโปแคมปัสที่เกี่ยวข้องกับอายุ เราพบว่าหนูที่มีอายุมากขึ้น 18-mo wildtype (HDAC3 plus / plus ) แสดงหน่วยความจำที่ไม่ดีสำหรับ OLM หลังการฝึก 10- นาที ซึ่งไม่พบว่ามีการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ DI ระหว่างการฝึกและการทดสอบ (รูปที่ 1b แถบสีเทา) ที่สำคัญ เซสชั่นการฝึกอบรม 10- นาที
2 การสื่อสารทางธรรมชาติ|(2018)9:3323 |ดอย: 10.1038/วินาที41467-018-05868-0 |www.nature.com/naturecommunications
รูปที่ 1 การลบหรือขัดขวาง HDAC3 ช่วยปรับปรุงความบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับอายุในหน่วยความจำฮิปโปแคมปัส ขั้นตอน OLM AAV ได้รับการฉีด 2 สัปดาห์ก่อนการฝึก b 18-mo HDAC3flox/flox เมาส์มีหน่วยความจำที่ดีกว่าอย่างเห็นได้ชัดสำหรับ OLM เมื่อเทียบกับกลุ่มครอก (HDAC3 บวก / บวก) (HDAC3 บวก / บวก) ครอก (การวิเคราะห์ความแปรปรวนสองทาง: การโต้ตอบของ Genotype x เซสชันอย่างมีนัยสำคัญ (F (1,29)) {{1{ {12}}}}.96, p < 0.001),="" การทดสอบภายหลังของซิแดก,="" ***p="">< 0.001,="" n="" {{="" 16}}(5f),="" 17(6f)).="" c="" การสำรวจทั้งหมดมีความคล้ายคลึงกันสำหรับทั้งสองกลุ่มในการทดสอบ="" (t(29)="1.67," ***p="0.11)" d="" การรบกวนการทำงานของ="" hdac3="" ในฮิปโปแคมปัสหลังด้วย="" aav-hdac3="" (y298h)-v5="" ยังช่วยแก้ไขความจำเสื่อมของฮิปโปแคมปัสในหนู="" 18-mo="" (ความแปรปรวนสองทาง:="" ผลกระทบหลักของเซสชัน="" (f(1,16))="" {{35="" }}.96,="" p="">< 0.001),="" การทดสอบเฉพาะกิจของ="" sidak,="" ***p="">< 0.001,="" *p="">< 0.05,="" n="9,10;" all="" males)="" e="" เวลาสำรวจทั้งหมดใกล้เคียงกันสำหรับทั้งสองกลุ่มในการทดสอบ="" (t(16)="0.28," p="0.78)" ขั้นตอนการทดลอง="" orm="" 2="" สัปดาห์หลังจากเสร็จสิ้น="" olm="" g="" ทั้งหนู="" 18-mo="" hdac3flox/flox="" และ="" hdac3="" plus="" plus="" littermates="" แสดงความพอใจเพียงเล็กน้อยสำหรับวัตถุใหม่="" (ความแปรปรวนสองทาง="" ไม่มีผลกระทบหลักหรือการโต้ตอบ="" n="14(5" f),="" 17(="" 6="" f))="" h="" เวลาสำรวจทั้งหมดใกล้เคียงกันสำหรับทั้งสองกลุ่มที่การทดสอบ="" (t(29)="0.59," p="0.56)" การรบกวนกิจกรรม="" hdac3="" ในฮิปโปแคมปัสหลังด้วย="" aav-hdac3(y298h)="" ก็ไม่มีผลต่อ="" orm="" โดยที่ทั้งกลุ่มไม่แสดงความพึงพอใจต่อวัตถุใหม่="" (ความแปรปรวนสองทาง="" ไม่มีผลกระทบหลักหรือปฏิกิริยาโต้ตอบ="" n="9" ,10;="" ผู้ชายทั้งหมด).="" j="" groups="" แสดงเวลาในการสำรวจทั้งหมดใกล้เคียงกันในการทดสอบ="" (t(16)="0.28," p="0.78)" ข้อมูลแสดงเป็นค่าเฉลี่ย±="" sem="" วงกลมสีดำ="" เพศชาย;="" สี่เหลี่ยมสีเทา="" ปกติแล้วตัวเมียจะสร้างความจำระยะยาวที่แข็งแกร่งในหนูตัวน้อย20.="" ในทางตรงกันข้าม="" 18-mo="" hdac3flox/flox="" littermates="" สร้างหน่วยความจำระยะยาวที่แข็งแกร่ง="" (รูปที่="" 1b,="" แท่งนกเป็ดน้ำ)="" โดยมีค่าความชอบเพิ่มขึ้นอย่างมากสำหรับวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ที่อยู่นิ่งเมื่อเทียบกับการฝึก="" หนูเมาส์="" hdac3flox/flox="" แสดง="" di="" ในการทดสอบที่สูงกว่าหนู="" hdac3="" plus="" plus="" อย่างมีนัยสำคัญ="" แม้ว่าจะมีระดับการสำรวจทั้งหมดใกล้เคียงกันในระหว่างช่วงการทดสอบ="" (รูปที่="" 1c)="" เราสังเกตเห็นผลกระทบที่คล้ายคลึงกันกับไวรัส="" aav-hdac3(y298h)="" เฉพาะกิจกรรม="" หนูเมาส์ควบคุมเวกเตอร์ที่ว่างเปล่า="" (ev)="" 18-mo="" แสดงหน่วยความจำที่ไม่ดีสำหรับ="" olm="" ในขณะที่หนูที่ผสมด้วย="" aav-hdac3(y298h)="" ลงใน="" dh="" แสดงความพึงพอใจที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญสำหรับวัตถุที่เคลื่อนที่โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงในการสำรวจทั้งหมด="" (รูปที่="" 1d,="" จ).="" ตรงกันข้ามกับหน่วยความจำระยะยาวที่ไม่ดีซึ่งพบในหนูเมาส์="" wildtype="">
(รูปที่ 1b, d) หน่วยความจำระยะสั้นสำหรับ OLM (ทดสอบหลังจาก 60 ม.)
การเข้าซื้อกิจการ; รูปที่ 2a เพิ่มเติม) ไม่เสียหายสำหรับทั้งหนูเมาส์ HDAC3 plus / plus และ HDAC3flox/flox (รูปที่ 2b, c) เสริม และไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในความวิตกกังวลระหว่างกลุ่มเหล่านี้ (รูปที่ 2d เพิ่มเติม) นอกจากนี้เรายังสังเกตเห็นว่าไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในการเคลื่อนไหวระหว่างกลุ่มต่างๆ ในระหว่างการสร้างความเคยชิน (รูปที่ 2e, f, 8a, b) ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการด้อยค่าที่เกี่ยวข้องกับอายุใน OLM ได้รับการแก้ไขโดยการลบหรือการหยุดชะงักของ HDAC3 ในฮิปโปแคมปัสหลัง
ต่อไปเราทดสอบว่าการปรับโฟกัส HDAC3 ของเราส่งผลต่อการจดจำวัตถุหรือไม่หน่วยความจำ(ORM) ซึ่งไม่ต้องการฮิปโปแคมปัสหลังในการดึงข้อมูล20. ในงานนี้ วัตถุที่คุ้นเคยหนึ่งรายการจะถูกแทนที่ด้วยรายการใหม่ (รูปที่ 1f) การลบ HDAC3 ในฮิปโปแคมปัสหลังไม่ได้ช่วยอะไรหน่วยความจำสำหรับ ORM โดยทั้งหนู HDAC3 plus / plus และ HDAC3flox/flox นั้นไม่แสดงความพึงพอใจต่อวัตถุแปลกใหม่ในการทดสอบเมื่อเทียบกับการฝึก (รูปที่ 1g) อีกครั้ง กลุ่มไม่แตกต่างกันในระดับการสำรวจทั้งหมดระหว่างช่วงการทดสอบ (รูปที่ 1h) ในทำนองเดียวกัน การหยุดชะงักเฉพาะกิจกรรมของ HDAC3 ในฮิปโปแคมปัสไม่สามารถแก้ไขความบกพร่องของ ORM ที่เกี่ยวข้องกับอายุได้ (รูปที่ 1i, j) ดังนั้น การด้อยค่าที่เกี่ยวข้องกับอายุใน ORM ระยะยาวจึงไม่ได้รับการแก้ไขโดยการลบ hippocampal หรือการหยุดชะงักของ HDAC3
ผลลัพธ์ของเราบ่งชี้ว่าการลบหรือการหยุดชะงักของ HDAC3 ในฮิปโปแคมปัสหลังสามารถทำให้ดีขึ้นได้ในระยะยาวหน่วยความจำข้อบกพร่องสำหรับงานขึ้นอยู่กับฮิปโปแคมปัส (OLM; รูปที่ 1a–e) โดยไม่กระทบต่อหน่วยความจำสำหรับงานที่ไม่ขึ้นกับฮิปโปแคมปัส (ORM; รูปที่ 1f–j) ที่สำคัญ หนูทุกตัวมีอาการระยะสั้นเหมือนเดิมหน่วยความจำสำหรับ OLM (รูปที่ 2) แสดงว่าสัตว์เหล่านี้ได้รับหน่วยความจำตามปกติ แต่ไม่สามารถรวมข้อมูลนี้เป็นที่สังเกตได้ในระยะยาวหน่วยความจำ. เนื่องจากความจำระยะสั้นไม่ขึ้นกับการถอดความ (สำหรับการทบทวน 21) การค้นพบนี้จึงสอดคล้องกับแนวคิดที่ว่าการแสดงออกของยีนที่เกิดจากการเรียนรู้จะเปลี่ยนแปลงไปในหนูที่มีอายุมากขึ้น ส่งผลให้ความจำระยะยาวบกพร่องตามอายุ
การหยุดชะงักของ HDAC3 ช่วยย้อนกลับการด้อยค่าที่เกี่ยวข้องกับอายุใน LTP
เพื่อทดสอบว่า HDAC3 มีส่วนทำให้เกิดการด้อยค่าของ synaptic plasticity ที่เกี่ยวข้องกับอายุหรือไม่ เราได้ตรวจสอบศักยภาพในระยะยาว (LTP) ในส่วนฮิปโปแคมปัสเฉียบพลันภายหลังการลบหรือการหยุดชะงักของ HDAC3 LTP ยังบกพร่องตามอายุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อโปรโตคอลการกระตุ้นอยู่ใกล้กับเกณฑ์การเหนี่ยวนำ LTP22 สองสัปดาห์หลังจากการแพร่เชื้อไวรัส เราได้เตรียมชิ้นฮิปโปแคมปัสและเหนี่ยวนำ LTP ด้วยรถไฟขบวนเดียวที่มี 5 ธีตาแตกไปยังปัจจัยหลักประกันของเชฟเฟอร์และ EPSP ภาคสนามที่บันทึกไว้จากเดนไดรต์ปลายยอดของ CA1b รูปแบบการกระตุ้นที่ค่อนข้างไม่รุนแรงนี้สร้างระดับ LTP ที่เสถียรใน HDAC3 plus / plus slices อายุน้อย (รูปที่ 2a) การลบ HDAC3 ในฮิบโปแคมปัสเพิ่มประสิทธิภาพ LTP โดยหนู HDAC3flox/flox แสดงศักยภาพที่สูงกว่าการควบคุมแบบไวด์อย่างมีนัยสำคัญ ตามที่คาดการณ์ไว้ -18-mo HDAC3 plus / plus หนูที่มีอายุมากขึ้นแสดง LTP ที่บกพร่อง และการลบ HDAC3 ได้แก้ไขข้อบกพร่องนี้ ทำให้เกิด LTP ที่เทียบได้กับหนูเมาส์ชนิดพันธุ์ป่า (รูปที่ 2b, c) โดยไม่มีผลกับ synaptic พื้นฐาน การส่ง (รูปที่ 2g, h)
เราสังเกตผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันกับการหยุดชะงักของกิจกรรมโดยเฉพาะ ในที่นี้ เราใช้การออกแบบภายในตัวแบบโดยให้หนูป่าและหนูแก่พันธุ์ผสมด้วยไวรัสควบคุม (AAV-EV) เข้าไปในฮิปโปแคมปัสหนึ่งตัวและ AAV-HDAC3(Y298H) เข้าไปในฮิปโปแคมปัสที่ตรงกันข้าม เช่นเคย เราพบว่าการรบกวนการทำงานของ HDAC3 ช่วยเพิ่ม LTP ในชิ้นจากหนูตัวเล็ก (รูปที่ 2d) และการด้อยค่า LTP ที่เกี่ยวข้องกับอายุในชิ้นจากหนูที่มีอายุมากขึ้น (รูปที่ 2e, f) โดยไม่รบกวนการส่งสัญญาณ synaptic พื้นฐาน (รูปที่ 2i , เจ) การลบหรือการหยุดชะงักของ HDAC3 จึงสามารถปรับปรุงการด้อยค่าที่เกี่ยวข้องกับอายุใน LTP ของฮิปโปแคมปัสได้
ส่วนย่อยของยีนที่มีความบกพร่องทางอายุได้รับการปรับปรุงโดยการลบ HDAC3 ข้อมูลของเราแนะนำว่าการลบหรือขัดขวาง HDAC3 ช่วยปรับปรุงความบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับอายุในหน่วยความจำระยะยาวและความยืดหยุ่นของซินแนปติก ต่อไปเราถามว่าข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับอายุในการแสดงออกของยีนฮิปโปแคมปัสสามารถแก้ไขได้ด้วยการลบ HDAC3 หรือไม่ เราตั้งสมมติฐานว่าการไม่ควบคุมการทำงานของ HDAC3 ในสมองเก่าทำให้เกิดโครงสร้างโครมาตินที่กดขี่ผิดปกติซึ่งจำกัดการแสดงออกของยีน ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะบั่นทอนระยะยาวหน่วยความจำ. เพื่อระบุยีนเฉพาะที่ควบคุมโดย HDAC3 ในสมองอายุน้อยและวัยชรา เราได้ทำการทดลองหาลำดับอาร์เอ็นเอซึ่งเราเปรียบเทียบหนูตัวเล็ก (3-โม) หนูป่าอายุ (18-โม) HDAC3 บวก / บวกหนู และอายุมากขึ้น (18-mo) HDAC3flox/flox ครอก เพื่อระบุการเปลี่ยนแปลงการแสดงออกของยีนในช่วงหน่วยความจำการรวมตัว สัตว์ในแต่ละกลุ่มถูกฆ่าตาย 60 ม. หลังจาก 10-การฝึก OLM ขั้นต่ำ 10- นาทีและเปรียบเทียบกับการควบคุมในกรง (HC) หลังจากทำแผนที่และพิจารณาจีโนมเดี่ยว 23,24 คุณภาพของการจัดลำดับได้รับการประเมิน (รูปที่ 3a, b) และตรวจสอบความแตกต่างที่มีนัยสำคัญในโปรไฟล์การแสดงออกระหว่างคู่ของตัวอย่างทั้งหมดสำหรับ p <>
เราคาดว่าการแสดงออกของยีนที่เกิดจากประสบการณ์จะเปลี่ยนแปลงไปในสมองเก่าตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ โดยมีชุดย่อยของยีนที่ไม่สามารถแสดงออกได้หลังจากเรียนรู้ ดังนั้นเราจึงมุ่งเน้นไปที่ยีนเหล่านั้นที่แสดงออกในระดับที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในกลุ่มที่ได้รับการฝึกอบรมเมื่อเปรียบเทียบกับการควบคุมในบ้าน ในขณะที่แต่ละกลุ่ม (Young WT, Old WT, Old HDAC3flox/flox) แสดงยีนจำนวนมากที่เกิดจากการฝึก OLM แต่ละกลุ่มแสดงโปรไฟล์การแสดงออกของยีนที่ไม่ซ้ำกัน (รูปที่ 3a ตารางเสริม 1–3) สมองเก่าควบคุมทั้งในกลุ่มไวด์ไทป์อายุน้อยและกลุ่ม HDAC3flox/flox รุ่นเก่าที่ไม่แสดงการเพิ่มขึ้นที่เกิดจากประสบการณ์ในฮิปโปแคมปัสประเภทไวด์ไทป์แบบเก่า ยีนเหล่านี้เป็นยีนที่ปกติแล้วไม่สามารถแสดงออกในสมองเก่าหลังการฝึก OLM แต่ได้รับการช่วยเหลือจากการลบ HDAC3 และอาจทำหน้าที่เป็นกลไกที่การลบ HDAC3 จะช่วยเยียวยาความบกพร่องของหน่วยความจำที่เกี่ยวข้องกับอายุ ยีนสี่ตัวถูกระบุในกลุ่มนี้: Nr4a1, Egr1, Tsc22d3 และ Per1 ยีนทั้งหมดเหล่านี้เกี่ยวข้องอย่างกว้าง ๆ ในการสร้างความทรงจำ 6,26,27 แม้ว่านี่จะเป็นการศึกษาครั้งแรกที่แสดงให้เห็นว่าการแสดงออกที่เกิดจากประสบการณ์ของยีนเหล่านี้มีความบกพร่องตามอายุและได้รับการช่วยเหลือด้วยการลบ HDAC3
การลบ HDAC3 ช่วยแก้ไขข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับอายุใน Per1 จากยีนที่ระบุผ่าน RNA-seq ของเรา ช่วงเวลา 1 (Per1) ได้รับการกระตุ้นอย่างแรงที่สุดโดยการฝึก OLM ในกลุ่ม HDAC3flox/flox (รูปที่ 3c) เป้าหมายนี้มีความน่าสนใจเป็นพิเศษ เนื่องจากโดยทั่วไปแล้ว Per1 จะได้รับการศึกษาในบริบทของจังหวะการมีชีวิต แต่ยังมีความเกี่ยวข้องในฮิปโปแคมปัสด้วยหน่วยความจำการก่อตัว6,28,29. เป็นที่ทราบกันดีว่าการแก่ชรานั้นมาพร้อมกับความบกพร่องในจังหวะชีวิต5 และหน่วยความจำเชื่อมโยงกับเวลาของวัน2,30 เป้าหมายของ HDAC3 นี้อาจแสดงถึงส่วนต่อประสานที่สำคัญและไม่ได้สำรวจระหว่างอายุ การปรับเปลี่ยนโครมาติน และนาฬิกาชีวิต
เพื่อตรวจสอบการแสดงออกของ Per1 ในสัตว์ HDAC3 plus / plus แบบเก่าและ HDAC3flox/flox แบบเก่า เราใช้ RT-qPCR และ ChIP- qPCR เราพบว่าการฝึก OLM ล้มเหลวในการกระตุ้นการควบคุม Per1 ในฮิปโปแคมปัสหลังของหนู 18-mo HDAC3 plus / plus แต่ในกรณีที่ไม่มี HDAC3 (HDAC3flox/flox) การฝึก OLM ทำให้เกิด Per1 mRNA เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ( มะเดื่อ 3f) นอกจากนี้เรายังวัดการแสดงออกของยีนเพิ่มเติมอีกสองตัวที่มีบทบาทที่ได้รับการบันทึกไว้เป็นอย่างดีในระยะยาวหน่วยความจำรูปแบบ: Arc และ cFos31 การแสดงออกของ Arc ที่เกิดจากประสบการณ์นั้นไม่บุบสลายในสมอง Wildtype ที่แก่ชราและไม่ได้รับผลกระทบจากการลบ HDAC3 (รูปที่ 3c เพิ่มเติม) ในทางกลับกัน นิพจน์ cFos ล้มเหลวในการเหนี่ยวนำโดยการฝึก OLM ใน HDAC3 plus / plus hippocampus แบบเก่า แต่การลบ HDAC3 นั้นไม่เพียงพอที่จะคืนค่าการเหนี่ยวนำที่ล้มเหลวนี้ (รูปที่ 3 เพิ่มเติม) ดังนั้นการลบ HDAC3 จะเป็นการคืนค่าการแสดงออกของชุดย่อยของยีนที่เกิดจากประสบการณ์ในสมองที่มีอายุมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งรวมถึง Per1
เพื่อตรวจสอบว่าการลบ HDAC3 คืนค่าการแสดงออกของ Per1 โดยส่งเสริมฮิสโตนแอซีทิเลชันร่วมกับโปรโมเตอร์หรือไม่ ต่อไปเราวัดอะซิติเลชันของฮิสโตน 4, ไลซีน 8 (H4K8Ac) ที่ไซต์โปรโมเตอร์ Per1 CRE โดยใช้โครมาตินอิมมูโนพรีซิเดชั่น (ChIP-qPCR) H4K8Ac เป็นเครื่องหมายของการเปิดใช้งานการถอดรหัส32 และคาดว่าจะเป็นเป้าหมายของ HDAC311,12 การฝึก OLM ไม่ได้เปลี่ยนระดับ H4K8Ac ที่โปรโมเตอร์ Per1 ในสมองไวด์ไทป์แบบเก่า แต่หากไม่มี HDAC3 ระดับ H4K8Ac ที่โปรโมเตอร์ Per1 จะเพิ่มขึ้นอย่างมากในการตอบสนองต่อการฝึก OLM (รูปที่ 3g) สำหรับ Arc และ cFos เราไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงการครอบครอง H4K8Ac ระหว่างกลุ่ม (รูปที่ 3e, f) เพิ่มเติม ผลลัพธ์เหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าการลบ HDAC3 จะเพิ่ม acetylation ที่โปรโมเตอร์ Per1 และการแสดงออกของ Per1 mRNA เพื่อตอบสนองต่อการเรียนรู้
คำถามสำคัญข้อหนึ่งคือการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ใน Per1 นั้นเกิดจากการเปลี่ยนแปลงจังหวะชีวิตในหนู HDAC3flox/ flox หรือไม่ หากการลบ HDAC3 ในฮิปโปแคมปัสหลังทำให้จังหวะการเต้นของหัวใจเปลี่ยนแปลงไป สิ่งนี้สามารถอธิบายการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ทั้งในการแสดงออกของ Per1 และในระยะยาวหน่วยความจำรูปแบบ. เพื่อแยกแยะสิ่งนี้ เราประเมินจังหวะการเต้นของหัวใจของหนู HDAC3flox/flox ที่มีอายุน้อย (3-mo) และอายุมากขึ้น (18-mo) และ HDAC3 plus / plus ครอกของพวกมันหลังการฉีด AAV-CaMKII-Cre หลังจาก 2 สัปดาห์ของการขึ้นไปสู่วัฏจักรแสง/ความมืด (LD) 12 ชั่วโมง หนูถูกใส่ในความมืดคงที่ (DD) เพื่อวัดจังหวะการเต้นของหัวใจภายในร่างกาย (รูปที่ 4a เพิ่มเติม) เราสังเกตเห็นว่าไม่มีความแตกต่างในรูปแบบกิจกรรมระหว่างวันระหว่างหนู HDAC3 plus / plus และ HDAC3flox/ flox ในกลุ่มอายุใดกลุ่มหนึ่ง (รูปที่ 4b–f เพิ่มเติม) แสดงว่าฮิปโปแคมปัส HDAC3 ไม่มีผลต่อจังหวะการเต้นของหัวใจ ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ในการแสดงออกของ Per1 และการสร้างหน่วยความจำระยะยาวหลังการลบ HDAC3 จึงไม่สามารถอธิบายได้ด้วยการเปลี่ยนแปลงจังหวะของชีวิตประจำวัน
Per1 เกิดจากการฝึกอบรม OLM และควบคุมโดย HDAC3
ต่อไปเราต้องการตรวจสอบว่าฮิปโปแคมปัส Per1 จำเป็นสำหรับระยะยาวหรือไม่หน่วยความจำรูปแบบ. อันดับแรก เราประเมินว่าการเรียนรู้ที่ขึ้นกับฮิบโปแคมปัสโดยปกติทำให้เกิดการแสดงออกของ Per1 mRNA หรือไม่ เราเสียสละหนูพันธุ์ไวด์ไทป์อายุน้อย (3-โม) 60 ม. หลังจากการได้มาซึ่ง OLM หรือการปรับสภาพความกลัวตามบริบท (CFC)12 การแสดงออกของ mRNA ต่อ 1 ได้รับการควบคุมอย่างมีนัยสำคัญในสัตว์ที่ได้รับการฝึกฝนด้วย OLM (รูปที่ 4a) หรือ CFC (รูปที่ 4b) เมื่อเทียบกับการควบคุมในบ้าน ซึ่งบ่งชี้ว่าการแสดงออกของ Per1 mRNA มักจะเหนี่ยวนำให้เกิดในฮิปโปแคมปัสในระหว่างการรวมหน่วยความจำสำหรับงานหลายอย่าง
เพื่อตรวจสอบว่า Per1 ที่เพิ่มขึ้นจากประสบการณ์อาจเป็นสื่อกลางผ่าน HDAC3 หรือไม่ ต่อไปเราใช้ ChIP-qPCR เพื่อวัดการครอบครอง HDAC3 หลังการฝึกอบรม OLM ที่ไซต์ต่างๆ ร่วมกับโปรโมเตอร์ Per1 ในฮิปโปแคมปัสรุ่นเยาว์ (รูปที่ 4c บนสุด) เราพบว่าการครอบครอง HDAC3 ที่โปรโมเตอร์ Per1 ลดลงที่ไซต์ทดสอบทั้งสามแห่งหลังจากการฝึกอบรม OLM (รูปที่ 4c ด้านล่าง) ร่วมกับการค้นพบครั้งก่อนของเราว่าการลบ HDAC3 คืนค่าทั้ง acetylations ที่การแสดงออกของ Per1 และ Per1 mRNA (รูปที่ 3) สิ่งนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า HDAC3 ควบคุมการแสดงออกของ Per1 ในฮิปโปแคมปัสหลังและการควบคุม HDAC3 ที่ผิดปกติอาจส่งผลต่อความบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับอายุในที่เกิดจากประสบการณ์ Per1 นิพจน์ ดังนั้น PER1 อาจเป็นส่วนหนึ่งของกลไกสำคัญที่การลบ HDAC3 ช่วยแก้ไขความบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับอายุในฮิปโปแคมปัสในระยะยาวหน่วยความจำรูปแบบ.