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大脑是人体的指挥塔，我们平时经历的事情、产生的情绪和情感都会产生相应的大脑变化，最终体现在行为方式的变化上。从机制上来看，情感的刺激会触发由神经元活动诱导的即时早期反应基因（IEG）表达，这组基因启动支持细胞、突触和行为可塑性的转录程序。
IEG对于经历情感刺激后的适应性行为反应至关重要，它们的失调介导了一些神经精神障碍相关的适应不良行为，例如情绪障碍和物质使用障碍。IEG的调控十分复杂，包含了细胞信号和作用于基因组增强子的表观遗传学机制。目前我们对这些机制的了解仍有许多欠缺。
在今天的《科学》杂志上，美国南卡罗来纳医科大学的研究团队发表了最新研究结果[1]，他们揭示了一个重要的IEG——Npas4是如何塑造情感刺激后的适应性行为的，具体来说，Npas4的长链非编码增强子RNA（lnc-eRNA）能够与Npas4启动子中的DNA结合，形成RNA:DNA杂交R环结构，在远端增强子和近端启动子之间形成三维染色质环，诱导了Npas4快速表达。
在慢性压力和可卡因暴露的小鼠模型中，Npas4 lnc-eRNA及其形成的R环结构是两种情况诱导的行为变化所必需的，对这种机制的抑制能够改善小鼠在压力诱导下的快感缺乏，或者减少对可卡因的渴望。这既帮助我们更加深入地了解了情感体验如何塑造大脑回路，也为一些精神疾病提供了新的潜在疗法。
Npas4编码转录因子神经元PAS结构域蛋白4（NPAS4），此前的一些研究已经证实了这个蛋白驱动细胞类型特异性转录程序，以支持行为适应[2-4]。
Npas4的增强子位于转录起始位点上游的~3kb处，在脊椎动物中高度保守，与多种转录调控因子有关联，例如CCCTC结合因子（CTCF），它能够促进三维染色质环化。
在给予可卡因或社交失败压力，产生情感刺激的小鼠中，研究人员观察到了大脑伏隔核和内侧前额叶皮层（mPFC）中，Npas4增强子与启动子通过一个三维环状结构产生的相互作用暂时性增加，同时Npas4表达。
增强子与启动子的相互作用比较
在两种条件下的小鼠大脑和mPFC中，研究人员都发现了一种从前没有注释过的、~2.2kb的lnc-RNA转录本，位于增强子正链。在人类志愿者死后捐赠的PFC样本中也证实了Npas4 lnc-eRNA的转录。
这个“小东西”引起了研究人员的注意，他们发现，Npas4 lnc-eRNA对于Npas4 mRNA的表达是一个必要充分条件。
为了搞清楚Npas4 lnc-eRNA调控Npas4 mRNA表达的机制，研究人员检查了它的序列，发现Npas4 lnc-eRNA富含鸟嘌呤和胞嘧啶（GC＞60%），部分区域表现出明显的GC倾斜（[G-C]/[G+C]），据此，研究人员推测，Npas4 lnc-eRNA可能形成了DNA:RNA杂交R环，通过不同的验证实验，他们证实了这一推测。
接下来，利用CRISPR技术，研究人员进行了基因组位点特异性的R环降解，这帮助他们确定了，在情感刺激依赖性诱导的Npas4 mRNA表达中，Npas4 lnc-eRNA转录区域R环的形成至关重要。
在情感刺激下，Npas4近端启动子和增强子的相互作用增加，形成了三维染色质环，这也是由R环参与调控的，远端调控元件和近端启动子之间的三维染色质环已经被证明可以支持基因表达，在这次的实验中，它调节了Npas4的表达。
机制示意图
最后，作为对这个机制的验证，研究人员在小鼠中进行了可卡因条件性位置偏好（CPP）实验和慢性社交失败压力下的蔗糖偏好实验。使用短发夹RNA（shRNA）在伏隔核区域抑制了Npas4 lnc-eRNA后，小鼠对可卡因的偏好消失，而在mPFC中同样的操作则帮助承受慢性社交失败压力的小鼠恢复了对蔗糖这种“奖赏”的偏好。
这项研究结果解释了我们在经历情感刺激后的大脑反应和行为变化的遗传学机制，也为情绪障碍和物质使用障碍提供了潜在的新治疗策略。未来，研究人员希望验证这种机制是否是一种普遍性机制，如果是的话，还需要进一步了解它的稳定性，以及如何在病理条件下被破坏。
[1] Akiki RM, Cornbrooks RG, Magami K, et al. A long noncoding eRNA forms R-loops to shape emotional experience-induced behavioral adaptation. Science. 2024;386(6727):1282-1289. doi:10.1126/science.adp1562
[2] Spiegel I, Mardinly AR, Gabel HW, et al. Npas4 regulates excitatory-inhibitory balance within neural circuits through cell-type-specific gene programs. Cell. 2014;157(5):1216-1229. doi:10.1016/j.cell.2014.03.058
[3] Lin Y, Bloodgood BL, Hauser JL, et al. Activity-dependent regulation of inhibitory synapse development by Npas4. Nature. 2008;455(7217):1198-1204. doi:10.1038/nature07319
[4] Sun X, Lin Y. Npas4: Linking Neuronal Activity to Memory. Trends Neurosci. 2016;39(4):264-275. doi:10.1016/j.tins.2016.02.003
本文作者丨应雨妍