神經元持久記憶和成纖維細胞命運的分子基礎

On the molecular basis of enduring memory in neurons,and cell fate in fibroblasts

神經元持久記憶和成纖維細胞命運的分子基礎

https://academic.oup.com/nar/article/54/8/gkag337/8663818

摘要

記憶可以持續(xù)一生，而這是如何實現(xiàn)的仍然是一個未解的挑戰(zhàn)。目前大多數(shù)觀點將記憶的分子痕跡（記憶印跡）視為一組促進神經元共同發(fā)放和共同連接的突觸蛋白。然而，大多數(shù)蛋白質的周轉時間在幾個月或更短。另一個挑戰(zhàn)是成纖維細胞如何數(shù)十年記住其細胞命運，而一個新興模型認為功能相關的基因在簇（稱為轉錄工廠和凝聚體）中共同轉錄，制造指定細胞命運的RNA。由于簇集是由隨時間作用的熵力驅動的，最早的細胞可能就已擁有這種記憶系統(tǒng)，且大自然可能在神經系統(tǒng)進化時利用它來存儲記憶印跡。隨后，轉錄創(chuàng)造了原始的神經元基質并定義了哪些細胞被包含在共同連接和共同發(fā)放的回路中，之后進行性細胞分化鞏固了長期記憶。我推測轉錄扮演著另一個核心角色。對于每一個添加到新生RNA上的核苷酸，轉錄都會產生一個焦磷酸——這是一種螯合劑，能隔離那些可以修飾動作電位脈沖序列的鈣離子。換句話說，那個指定細胞命運的同樣的納米線連接DNA計算機，可能存儲并操縱我們的記憶。

引言：神經記憶印跡

記憶可以持續(xù)一生（圖_1A），為此提供分子層面的解釋仍然是神經科學的一個核心挑戰(zhàn)。一個多世紀前，Semon提出了一種涉及記憶印跡（engrams）的記憶理論 [1]。記憶印跡有許多定義；我采用Josselyn和Tonegawa的定義，將其視為持久的離線記憶物理/化學痕跡（由學習引發(fā)，發(fā)現(xiàn)于神經元群中）[2]。我的重點將放在持續(xù)數(shù)十年的痕跡上。

在記憶測試期間活躍的神經元通常以轉錄因子（TFs）如CREB（cAMP反應元件結合蛋白）的磷酸化為標志，這刺激了即刻早期基因（例如 c-fos）的發(fā)放；隨后，神經元中磷酸化的CREB或 c-fos 指向一個記憶印跡。更具說服力的證據(jù)是通過在習得前破壞功能、在沒有線索的情況下通過電刺激記憶印跡細胞來提取記憶，以及在沒有預先訓練的情況下植入記憶以模擬相關記憶而獲得的 [2]。

在我將稱之為“標準”模型 [2] 的內容中，記憶痕跡是一個具有“增強”突觸的神經元網絡，它們協(xié)同工作，正如Hebb所假設的那樣，并且能夠被“共同發(fā)放的細胞連接在一起”（cells that fire together, wire together）[3] 所捕捉。那么，突觸處穩(wěn)定連接的蛋白質將構成一個記憶印跡，記憶的提取則是作為電脈沖序列。這通過將假設的記憶印跡——不同的接線圖或連接組（connectomes）——附加到巴甫洛夫的狗身上來說明，這是在著名的條件反射實驗期間（圖_1B）。信息通過兩種一般方式傳播：通過沿著神經元傳遞的脈沖序列中的動作電位（與跨突觸的囊泡運輸耦合），以及作為鈣（Ca）瞬變在神經元內及神經元與周圍細胞之間通過間隙連接和納米管傳播——這個網絡通常被視為支持神經元網絡 [4–9]。記憶處理和計算隨后發(fā)生在神經網中的突觸處。

長時程增強（LTP）——突觸強度或連通性的持續(xù)增加——是這種接線的基礎 [10]。LTP根據(jù)涉及的分子（例如受體、離子通道）或時間跨度（例如持續(xù)幾分鐘到幾小時的短期，持續(xù)數(shù)小時的早期，以及持續(xù)更久且需要蛋白質合成加上轉錄和蛋白酶體介導的降解的晚期）進行細分 [11–13]。樹突棘通常在數(shù)天內隨著突觸強度的增加而出現(xiàn)，隨后收縮，這種突觸可塑性與記憶和遺忘相關 [14]。

來自模仿我們大腦的硬件和軟件的見解

現(xiàn)代計算機使用具有馮·諾依曼架構的硅芯片，其中存儲地址在邏輯上是相同的，并存儲數(shù)據(jù)或指令。相比之下，我們大腦中的地址是非等效的，具有相互鏈接的存儲和處理。因此，類腦硬件 [15,16] 和軟件 [17–20] 正在被開發(fā)。兩者都具有令人驚訝的特性。

神經形態(tài)硬件通常包含憶阻器（memristors，“memory”和“resistors”的合成詞）。與電阻器不同，憶阻器“回憶”之前有多少電荷通過它，即使在斷電時也是如此。流經兩個熱力學隔離的憶阻器的流動自發(fā)地演變?yōu)榫哂凶畲箪氐姆€(wěn)定（不變）平衡。相比之下，熱力學開放對（pairs）有幸擁有產生復雜涌現(xiàn)振蕩的可能性——但僅在一個精確定義的稱為“混沌邊緣”（the edge of chaos）的域中 [21]。在憶阻器網絡中，信息流的兩個度量——傳遞熵和主動信息存儲——在系統(tǒng)接近混沌時達到最大 [22]。這引出了一個問題：赫布網絡（Hebbian networks）是否在混沌邊緣運作？

憶阻器的概念發(fā)明者——Chua——提供了一般混沌理論的見解（例如解釋圖靈不穩(wěn)定性，以及解決Smale悖論），以及動作電位是如何涌現(xiàn)的 [23,24]。在后一種情況下，他從熱力學第二定律開始：軸突只有在由外部能源供應時才會發(fā)放。他然后想象一個神經元位于混沌邊緣（一種漸近穩(wěn)定狀態(tài)），在那里它獲得了放大能量中無限小波動的能力——從而產生“全或無”的脈沖。他接下來使用非線性微分方程來計算定義這個“金發(fā)姑娘區(qū)”（Goldilocks zone，即恰到好處區(qū)域）的精確參數(shù)。他的參數(shù)重現(xiàn)了那些通過實驗獲得的參數(shù)，他得出結論我們的大腦在混沌邊緣工作。

脈沖神經網絡（SNNs）通常是核心算法，其中“脈沖”攜帶信息，且脈沖時間依賴可塑性調整“突觸權重”。使用非等效地址（與相同地址相比）帶來了許多優(yōu)勢 [25]：神經形態(tài)算法更快（存儲和處理相互鏈接，因此沒有馮·諾依曼瓶頸），更高效（數(shù)據(jù)在本地處理，所以“嗅覺”和“聽覺”“神經元”可以同時運行不同的算法），更節(jié)能（所以“神經元”不會過熱），可適應（“突觸權重”即時改變），以及更穩(wěn)定（去中心化網絡盡管有連接丟失仍保留功能）。因此，SNNs執(zhí)行復雜的任務，如識別手勢和語音命令，非常像人類 [26]。當然，這些神經形態(tài)算法不適合我們的筆記本電腦執(zhí)行的精確順序任務，而且調試它們眾所周知是困難的。

記憶印跡的細胞基質

我選擇顆粒細胞作為范例，因為它們是小鼠小腦中的主要神經元類型 [27, 28]，但這些論點適用于網絡中其他層的其他細胞。 unsurprisingly（不出所料），顆粒細胞在大腦發(fā)育和功能中起著核心作用 [29]。它們的特征在于擁有所有神經元中細胞核與突觸之間最短的距離（約 15 μm）。它們還表達區(qū)域特異性的信使 RNA（mRNA）組 [30]。請注意，mRNA 可以以約 0.1–1 μm/min 的速度從細胞核快速轉運至突觸 [31, 32]。即使在輸入和輸出突觸相距數(shù)百微米的錐體細胞中，細胞核也總是策略性地定位于兩者之間 [33]。此外，約 5 個顆粒細胞的胞體通常被來自一個膠質細胞（一種被膜原生質星形膠質細胞）的細胞質“面紗”所覆蓋 [4]。為什么進化最小化了細胞核與鄰近細胞功能接觸之間的距離？

盡管我們大腦中的形態(tài)學細胞類型很少，但單細胞轉錄組學揭示了令人眼花繚亂的不同類型數(shù)量 [34–37]，而確定究竟有多少種取決于所使用的算法和閾值 [38]。我使用編碼果蠅生殖行為的 fruitless 神經元來說明這種多樣性。僅對約 2500 個細胞的分析就發(fā)現(xiàn)了 113 個不同的組，對其中的 46 個組進行詳細檢查顯示，含同源框的轉錄因子（TFs）在表達上的變化最大，而免疫球蛋白樣結構域的富集程度最高——每個組都表達一套獨特的庫（repertoire）[39]。這表明轉錄因子驅動單一神經通路內的分化，產生許多聚集在一起的不同細胞類型。

腦細胞在轉錄上高度活躍

轉錄顯然在記憶印跡的形成與功能中起著重要作用[40–42]。例如，轉錄活性與去極化及其相關的鈣瞬變緊密相連[43–45]。此外，向體外生長的神經元前體細胞添加尼古丁會立即使其去極化，在5分鐘內使c-fos轉錄增加十倍[46]。編碼轉錄因子（TFs）的其他數(shù)百個基因也在幾分鐘內被開啟[47]。類似地，KCl去極化在2小時內激活了超過12,000個增強子處的轉錄，使結合到它們上面的RNA聚合酶II的量增加了一倍[48]。同樣值得注意的是，在FANTOM5小鼠數(shù)據(jù)集中，腦細胞表達的（不同的）增強子RNA（eRNAs）比其他任何組織都多[49]，表達的mRNA比成纖維細胞多[37]，并且擁有數(shù)量驚人的長非編碼RNA、微小RNA和環(huán)狀RNA[50–52]。請注意，新生人類eRNA的數(shù)量以約10:1的比例超過新生mRNA[53]。

在記憶印跡的寫入和讀取過程中，表達模式會發(fā)生類似于發(fā)育過程中出現(xiàn)的變化。例如，在小鼠遭受足部電擊后激活的神經元被分離并進行了分析[54]。染色質立即變得更具可及性。在記憶鞏固期間，隨著啟動子:增強子相互作用的重排，少數(shù)基因變得活躍。在提取過程中，在編碼階段被激發(fā)（primed）的啟動子和增強子之間出現(xiàn)了新的接觸，許多參與局部蛋白質合成和突觸形態(tài)發(fā)生的基因變得更加活躍。這些緩慢的變化鏡像反映了分化過程中觀察到的變化。另一個例子強調了特定TFs的作用[55]。兩組小鼠在獎勵相關情境中接受訓練：一組進行高頻重復訓練（因此它們能記住訓練內容長達數(shù)周，通過預期獎勵時的舔舐行為檢測到），另一組訓練頻率較低（因此它們忘記了）。對丘腦-皮層回路中單細胞的轉錄組學分析揭示了與記憶和遺忘相關的不同TFs群。靶向CRISPR敲除隨后指出，一些TFs對記憶形成沒有影響，而另一些則影響穩(wěn)定化（例如，鈣調蛋白依賴性因子CAMTA1是維持數(shù)天記憶所必需的，但TCF4和組蛋白甲基轉移酶ASH1L是記住數(shù)周所必需的）。

請注意，許多奇特的腦轉錄本來源于轉座元件中的啟動子，這些轉座元件的擴散與哺乳動物大腦的進化巧合地同時發(fā)生[56, 57]。此外，我們大腦中進化最快的序列是大于1 kbp的重復片段，它們被視為我們擴展的新皮層和更高神經元連通性的驅動因素；我注意到，這些重復片段中的31個候選基因中有11個編碼表面分子[58]。

這些結果提出了許多未解答的問題：為什么神經轉錄活性如此相關、高度活躍且“嘈雜”（顯然處于混沌邊緣），以及為什么我們不能僅僅按比例放大果蠅大腦就能使我們像現(xiàn)在這樣思考（而不需要新的TFs）？

一個悖論：我們的大腦是雙模態(tài)的，既運作得非常快，又運作得非常慢

Zheng和Meister [59] 使用概略性數(shù)據(jù)來強調人類信息吞吐量（僅約10比特/秒）與我們以約10?比特/秒收集數(shù)據(jù)的感覺系統(tǒng)之間的鮮明對比。較小的數(shù)值（10比特/秒）適用于所有人類行為，包括感知、認知和運動功能；它是通過對說話、閱讀、打字、記憶數(shù)字和解魔方等活動進行平均得出的。請注意，從一個神經元到下一個神經元的信息傳遞依賴于脈沖時間（皮層放電率通常僅為每秒幾次脈沖），且信息論告訴我們每次脈沖約攜帶2比特信息。較大的吞吐量（10?比特/秒）是通過計算單只眼睛中的視錐細胞得出的。每個受體將動態(tài)光輸入轉換為連續(xù)變化的膜電壓（輸出約270比特/秒），600萬個視錐細胞產生約1.6×10?比特/秒。由此，一個打字員的大腦僅篩選出執(zhí)行必要擊鍵所需的10比特/秒。Zheng和Meister認識到許多人會對他們關于大腦運作如此之慢的說法感到不滿（例如參見[60]），但他們仍堅持認為輸入比特流與處理比特流是非常不同的。

現(xiàn)在考慮我們大腦的數(shù)據(jù)容量與其存儲的記憶相比如何[59]。容量上限是通過將突觸數(shù)量（約101?）乘以突觸強度的動態(tài)范圍（約5比特）得出的——這給出≈50 TB。如果為每個神經元添加幾個比特來指定不同的功能參數(shù)，這幾乎不會增加總數(shù)，因為神經元總數(shù)僅約1011個[61]。由于≈50 TB的容量如此巨大，因此存在大規(guī)模冗余和/或僅選擇極小數(shù)據(jù)子集的空間。此外，如果一個人以10比特/秒的速度每天24小時、持續(xù)100年不睡眠地吸收信息，所有產生的記憶總量也不足4 GB！由于這個量如此之小，這意味著不同記憶之間必然存在大規(guī)模的交錯存儲（全息圖提供了對空間信息集進行類似壓縮的機制）[62]。

Zheng和Meister得出結論，我們的大腦是雙模態(tài)的：高維度的外周輸入在中心被急劇過濾為稀疏的比特流[59]。換句話說，存在兩種記憶：一種是短期記憶，信息通過突觸在細胞間快速傳遞；另一種是數(shù)據(jù)被緩慢存儲和處理的記憶。Gershman也提出必須存在兩種使用不同算法的記憶機制：推理參數(shù)存儲在突觸中并通過突觸可塑性進行更新，而生成式參數(shù)則在單個細胞內以另一種分子形式存在，并通過生化過程進行更新[63]。換句話說，該系統(tǒng)在不同的位置以不同的速度運行不同的記憶/處理模塊（數(shù)字式、模擬式）。

突觸記憶存在的一些問題

盡管普遍認為突觸連接捕獲了學習引發(fā)的長期變化，但許多人認為缺乏直接證據(jù)。例如，Gershman列出的一部分反面證據(jù)如下[63]（另見[64]）。(i) 突觸前和突觸后神經元必須在40–60毫秒內發(fā)放才能改變突觸強度，但動物能夠學會間隔數(shù)小時的刺激之間的關聯(lián)。(ii) 海馬體中的大多數(shù)樹突棘（突觸強度/連通性的標志物）每2周更新一次，但記憶可以持續(xù)更長的時間。(iii) 通過電擊訓練以避開氣味的果蠅幼蟲，在相關突觸（嗅覺投射神經元與蘑菇體神經元之間）解體時，仍能通過變態(tài)發(fā)育保留該記憶。(iv) 在缺乏蛋白激酶C某種亞型的突變小鼠中，海馬長時程增強（LTP）減弱，但突變體仍然能夠學會執(zhí)行依賴海馬體的任務（在莫里斯水迷宮中游泳）。我在此列表中補充：(v) 本能及其被稱為‘ingrams’的記憶印跡類似物可延續(xù)數(shù)代[65]。例如，在籠中繁殖的實驗室小鼠在接觸到潛在捕食者的圖像時會倉皇躲避，而這些捕食者只能在幾代以前被看到[66, 67]。(vi) 突觸傳遞的能量消耗很高，但人類的感覺刺激和解決認知問題僅略微增加能量需求。

此外，靈長類動物單位腦質量的能量消耗大致與神經元數(shù)量成正比，而非突觸數(shù)量或連接組復雜性[68]。(vii) 通過納米管網絡（長度約3 μm）傳遞的鈣瞬變?yōu)橥挥|細胞間連接提供了替代途徑，但這些納米管的半衰期為數(shù)小時[8]。這些反面證據(jù)的一個共同特征是，難以想象能夠持續(xù)一生的記憶機制。

記憶分子

DNA arguably（可以說）是長期信息存儲的最佳基質，并且在體外計算中被廣泛用于此目的[69]。來自格陵蘭北部沉積物的序列保持著約200萬年的當前最長壽命記錄；它們編碼了一個包含楊樹、乳齒象、馴鹿和鵝的生態(tài)系統(tǒng)[70]。那么，人們可以想象，獲取記憶會改變序列，就像淋巴細胞DNA記錄對抗原的記憶一樣；然而，目前沒有證據(jù)支持這種定向改變（但存在非定向改變）[71]。RNA 穩(wěn)定性較差，但很少被認為編碼記憶印跡（然而，參見[64]）。Francis Crick 指出，除 DNA 外，幾乎所有大分子都在數(shù)月或更短時間內更新（圖2A），并提出了一種依賴于雙穩(wěn)態(tài)開關的簡單持久性機制（圖2B）[72]。已知許多此類開關（例如影響突觸穩(wěn)定性的 CAMK2A 和 PKMζ）[12, 73]。這些激酶具有活性（磷酸化）和非活性狀態(tài)，并且——當新的非活性分子出現(xiàn)時——如果大多數(shù)現(xiàn)有分子處于非活性狀態(tài)，它們將保持不變。然而，磷酸化會激活它們，使它們現(xiàn)在能夠磷酸化非活性分子。因此，替換舊分子的新分子會獲得舊分子的狀態(tài)——從而分子記憶得以存續(xù)。如果激酶是多聚體結構的一部分（CAMK2A 是十二聚體，PKMζ 錨定在一個大型 KIBRA 復合物上），穩(wěn)定性會進一步增強[74]。這種機制能夠在其所有組成部分被替換后依然存續(xù)，就像忒修斯之船盡管所有木材都被更新卻依然存在一樣。

雖然蛋白質是流行的記憶分子[2, 12, 75, 76]，但其他分子也持續(xù)被提出。這些包括通過 G4-四鏈體[77]、甲基化[78, 79] 或在相關組蛋白上沉積標記[78, 80] 對 DNA 的修飾，以及通過新合成、m6A 修飾、可變剪接，甚至編碼如 ARC 和 CAMK2A 等蛋白質的 mRNA 在神經元間轉移[81–83] 對 RNA 的修飾。

所有這些機制都需要兩個“缺失的環(huán)節(jié)”——一個負責將信息從突觸傳遞到內部記憶存儲庫（在組蛋白修飾的情況下指細胞核），以及第二個負責生成響應性脈沖序列——全部在回憶一段記憶所花費的那一秒內完成。因此，它們并未得到廣泛認可，而克里克（Crick）的雙相開關則見于大多數(shù)記憶模型中。我現(xiàn)在描述兩種截然不同的記憶機制。

細胞命運與晝夜節(jié)律的記憶

當一個成纖維細胞分裂時，其子代通常能"記住"其細胞命運長達數(shù)十年（圖2C）。這就是為什么轉錄組學能夠讓我們如此精確地定義細胞類型[84–87]。這種記憶是細胞自主的，因為一個克隆中的所有成纖維細胞都被明確證實為成纖維細胞。

一個調控晝夜節(jié)律的記憶系統(tǒng)疊加在這種細胞命運記憶之上，存在于從最簡單的兩側對稱動物到人類的生物體中。這些節(jié)律涉及保守的負反饋回路、雙穩(wěn)態(tài)開關以及轉錄激活因子/抑制因子（例如在人類中，CLOCK–BMAL1 復合物加上 PER1、PER2、CRY1、CRY2 驅動任何特定組織中表達的約 5%–20% 基因的晝夜節(jié)律性轉錄）[88, 89]。雖然這些節(jié)律由每日太陽周期同步（在人類中通過下丘腦視交叉上核實現(xiàn)），但它們在持續(xù)黑暗中培養(yǎng)的細胞中仍能持續(xù)存在。

為什么命運選擇和晝夜節(jié)律如此持久？為解答這一問題，我回顧轉錄因子（TFs）如何調控指定命運的特定基因組的表達。

轉錄的另一種觀點

在傳統(tǒng)的轉錄模型中[90]，沿 DNA 散在分布的基因彼此獨立地被轉錄（圖 3Ai）。然而，現(xiàn)有證據(jù)表明，大多數(shù)轉錄本是由 RNA 聚合酶的簇群合成的（圖 3Aii）[91]。此類聚集體被稱為轉錄工廠[92, 93]、簇群[94]、凝聚體[91]、液滴[95]、樞紐[96] 和囊袋[97]。我將使用"簇群"（cluster）一詞來指代這些結構，因為它們都包含機器的局部高濃度，通過質量作用定律確保高效的 RNA 生產（例如，哺乳動物細胞中一個工廠內 RNA 聚合酶 II 的濃度比核質中高約 1000 倍）[92]。這一觀點引出了一個具有兩個核心概念的"全基因組"（pan-genomic）模型[98]。首先，錨定在簇群附近的啟動子比遠處的啟動子更頻繁地激活（在圖 3Aii 中，e 比 d 更頻繁地激活）。其次，不同的簇群含有不同的轉錄因子，專門負責轉錄不同的小世界基因組轉錄單元（在圖 3Aii 中，粉色的持家單元在粉色簇群中共同激活，而僅在神經元中激活的綠色單元則在綠色簇群中共同激活）。因此，神經元和成纖維細胞含有不同的簇群，轉錄不同的單元；兩者也都含有共同的簇群，負責合成持家 mRNA 和 eRNA（作者提交的手稿標題為"轉錄簇群與發(fā)育通路：自然、養(yǎng)育、噪聲"）。換句話說，簇群類型決定細胞命運。當然，表觀遺傳輸入和來自周圍環(huán)境的信號會強化特定的命運[99]。

由于支持這種替代觀點（圖 3Aii）的證據(jù)已被綜述[91, 98]，我僅提及支持它的三類證據(jù)。第一，大多數(shù)基因組接觸應涉及活躍的轉錄單元；事實確實如此。因此，在細菌中，Hi-C 顯示活躍的 RNA 聚合酶錨定了幾乎所有環(huán)[100]。在哺乳動物中，現(xiàn)有最高分辨率的接觸數(shù)據(jù)（使用區(qū)域捕獲 micro-C 和小鼠胚胎干細胞中的 Klf1 + Ppm1g 基因座獲得）顯示，67%–74% 的接觸涉及合成 mRNA 和 eRNA 的活躍單元（相比之下，涉及 CTCF 和黏連蛋白的僅占 4%）[101]。第二，本質上所有轉錄都應發(fā)生在簇群中；事實確實如此。因此，我們的基因組編碼數(shù)百個 rRNA 基因，但只有那些在核仁中成簇的基因才會被聚合酶 I 復制[102, 103]。類似地，>92% 由聚合酶 II 和 III 合成的新生 RNA 都集中在核仁外簇群中[93]。第三，相關單元應在富含適當轉錄因子的簇群中共同轉錄；事實確實如此。因此，基因表達網絡是小世界網絡[104, 105]，由 NFκB 激活的即刻早期基因，以及由 ERα（或 KLF1、或 TFEC 等）激活的其他基因組，都僅在活躍時共同成簇[94, 106–108]。

我將簇群描述為"紅色"、"綠色"或"藍色"，以代表在不同細胞類型中發(fā)現(xiàn)的簇群。然而在實踐中，顏色以復雜的方式混合[109]，這反映在單細胞轉錄組中，例如，在一組成纖維細胞群體中，每個細胞都具有其特征性的轉錄模式[35, 37]。

驅動簇群形成的力

三種重要的力驅動著簇群的形成。首先，一種經典機制涉及能夠二聚化的轉錄因子（TFs），許多轉錄因子正是如此（圖3Bi）[110]。因此，一旦兩個TFs結合到鄰近的特異性位點，它們就會被暫時限制在局部體積內，這增加了它們碰撞并發(fā)生二聚化的幾率。其次，考慮一個尺寸大于5納米且對其他任何蛋白質均無親和力的DNA結合蛋白/復合物（圖3Bii）。在擁擠的細胞環(huán)境中，許多較小的分子（<5納米）從四面八方撞擊它。如果兩個大分子恰好相互接觸，小分子會被空間位阻排除在兩者之間的綠色區(qū)域之外，因而無法將它們撞開。結果，小分子在相對兩側施加力，使兩個大分子保持在一起——盡管它們彼此之間并無親和力。換言之，將兩個大分子有序排列所付出的自由能代價，小于眾多小分子無序度（熵）增加所帶來的收益。如果這些復合物結合到DNA上，這種熵驅動的“耗盡吸引力”便會穩(wěn)定簇群[111]。第三種力是通過（布朗動力學）模擬揭示的：代表大型聚合酶/TF復合物的紅色球體可逆地結合到啟動子上；這些球體自發(fā)聚集成簇（圖3Biii）[112, 113]。這種涌現(xiàn)過程需要二價/多價性，使得復合物能夠作為橋梁來穩(wěn)定DNA環(huán)；因此，它被稱為“橋接誘導的吸引力”。形成橋梁會使啟動子的局部濃度加倍，從而觸發(fā)正反饋，該過程無需額外能量輸入即可招募更多的復合物/啟動子（直至達到無法再壓縮進更多DNA的物理極限）。當對紅色和綠色復合物進行模擬時，會自然形成界限分明的紅色和綠色簇群。當用代表局部轉錄活性的顏色來標記代表整個人類染色體的長鏈時，拓撲關聯(lián)結構域（TADs）和A/B區(qū)室均會自然顯現(xiàn)，無需引入任何額外機制。鑒于這三種力的存在，大自然面臨一個選擇：要么消耗能量去阻止簇群形成，要么順勢而為并加以利用——正如我們所主張的那樣[98]。

簇群穩(wěn)定性與細胞命運的記憶

細胞命運通常被認為通過基因調控網絡的運作以及與染色質表觀遺傳標記的耦合來指定[114]。對具有隨機連接節(jié)點的網絡的模擬表明，穩(wěn)定性島嶼（“吸引子”狀態(tài)）會自然涌現(xiàn)[115]。然而，生物網絡是以特定且分層的方式連接的：主調控因子控制次級調控因子，并最終通過正反饋和負反饋控制效應基因[116]。轉錄的替代觀點指出了一種額外且穩(wěn)定的細胞命運編碼方式，該方式通過定義細胞類型的簇群來發(fā)揮作用。這些決定性網絡是物理結構（與抽象的基因調控網絡形成對比）。我現(xiàn)在描述此類網絡在發(fā)育過程中是如何變化的。

考慮一個“瓦丁頓景觀”，其中“山丘”和“山谷”代表引導細胞走向所需命運的“能量勢”（圖4Ai）[117, 118]。不可避免的轉錄或表觀遺傳噪聲被可視化為隨機出現(xiàn)的“減速帶”，使細胞偏離正確路徑（在此，減速帶使祖細胞偏離至不需要的成肌細胞路徑）[119]。根據(jù)任何模型，如果山谷較深，系統(tǒng)會更穩(wěn)健，因此細胞不太可能無意中滑入錯誤的山谷（圖4Aii）。我們已經看到力驅動單體進入簇群（圖4B），實驗也證實了這一點[93]，因此力的平衡必須確保簇群處于比單體更深的自由能極小值中（作者提交的手稿題為“轉錄簇群與發(fā)育通路：自然、養(yǎng)育、噪聲”）。因此，轉錄深嵌于瓦丁頓景觀中的簇群基因應能減輕噪聲的影響，從而穩(wěn)定簇群并增強命運記憶。

在景觀中滾動的細胞會經過決定命運的關鍵決策點。值得注意的是，處于這些點的細胞會過度表達看似不需要的轉錄本[120, 121]，正如該論文標題所概括的：“全轉錄組噪聲控制哺乳動物祖細胞的譜系選擇”[121]。我提出，表達新的轉錄因子會增加噪聲，使系統(tǒng)擾動至接近混沌狀態(tài)[21]，并使景觀平坦化以簡化向新狀態(tài)的過渡（圖4B；作者提交的手稿題為“轉錄簇群與發(fā)育通路：自然、養(yǎng)育、噪聲”）。那么，重編程成纖維細胞的命運——通過轉染編碼MyoD的互補DNA（cDNA）將其變?yōu)槌杉〖毎鸞122]，或使用四種山中因子（Oct4、Sox2、c-Myc和Klf4）將其變?yōu)檎T導多能細胞[123]，或使用化學方法將其變?yōu)樯窠浽猍124, 125]——都將通過使景觀平坦化來發(fā)揮作用。

許多輸入信號影響命運決定并穩(wěn)定選擇；這些信號可以隨機地、誘導地或選擇性地發(fā)揮作用[126–128]。例如，小鼠胚胎中的移植實驗明確表明，初始（na?ve）細胞可以被強制沿著截然不同的通路發(fā)育[127, 128]。此外，許多表觀遺傳修飾在轉錄水平（因此在簇群中）發(fā)揮作用，以建立和強化選擇（例如通過與“印記”相關的組蛋白/DNA甲基化）[114, 118, 129–131]。請注意，所有這些輸入信號的作用都是緩慢的。

來自相鄰細胞的信號也影響命運選擇，我用Notch通路來說明這一點——選擇它是因為它在從線蟲到哺乳動物的長期記憶中起著關鍵作用[132–134]，并且因為它與影響記憶處理的其他通路（如Wnt通路）存在“對話”[135]。想象一個祖細胞位于一個成熟神經元旁邊，接觸刺激了該通路（圖5）。從膜受體（哺乳動物中為Notch1-4）到細胞核的信號開啟命運決定轉錄因子及相關表觀遺傳標記的表達，從而觸發(fā)新膜蛋白的合成，以加強與鄰近細胞的接觸。由于信息流需要數(shù)分鐘時間，這對命運鞏固很有用。

DNA：決定細胞命運的納米線連接計算機/記憶系統(tǒng)

具有黑白像素的快速響應（QR）碼提供了高密度存儲信息的方式；Navilens陣列通過添加彩色像素來增加容量，而3D陣列應能進一步增加容量（圖6A）。我們體內每個細胞中的染色體構成了一種相關的3D記憶機制，確保適當?shù)霓D錄單元“共同連接與共同激活”（圖6B）。換句話說，染色體充當納米線連接的計算機/記憶系統(tǒng)。該計算機的一項任務是“記住”細胞命運，并且——類比于記憶印跡（engram）——我將它的“記憶”痕跡稱為“轉錄記憶印跡”（transcriptional engrams, tengrams）。請注意，一個tengram存儲在一個細胞核的一組簇群中（而不是在一組細胞中）。那么，轉錄因子結合位點的一維基因組位置（高度保守[136, 137]）決定了轉錄因子結合和聚集的位置。熵力與DNA柔韌性相結合，隨后將基因組折疊成無數(shù)種可能的3D結構中的一種，每種結構編碼略有不同的成纖維細胞或神經元命運（可類比于指定超市中不同“烘焙食品”或“冷凍食品”的二維碼）。

這臺計算機可能使用什么邏輯符號，以及它們是如何被處理的？我推測它們的數(shù)量將多于遺傳密碼中的符號（包括A/C/G/T、三聯(lián)體/起始/終止密碼子、開放閱讀框、啟動子），因為我們還應加上代表轉錄因子結合位點一維位置、二價/多價轉錄因子濃度及其親和力的符號（而這些又決定了簇群的顏色/數(shù)量/類型）。在這臺計算機上運行的算法還必須隨時間對符號進行加、減和積分運算，以產生晝夜節(jié)律。

特化的轉錄簇群與鈣信號傳導可能存在于最早期的細胞中

最早的神經系統(tǒng)可能在輻射對稱的后生動物（例如珊瑚、海綿）和兩側對稱動物中獨立進化了不止一次[138]——甚至可能在后生動物出現(xiàn)之前就已經出現(xiàn)[139]。它們可能使其水生宿主能夠吞噬食物（在珊瑚中）或向其移動（在兩側對稱動物中）[140, 141]。由于進化常常修補已有的系統(tǒng)，那么當時可能有哪些信息存儲/傳遞系統(tǒng)可用呢？

一個RNA世界可能早于基于DNA的LUCA（最后普遍共同祖先），所有細菌、古菌和后生動物都源于此（圖7）[142]。系統(tǒng)發(fā)育比較表明，LUCA可能編碼了與我們今天所知的激酶、聚合酶和轉錄因子相關的分子[143]。由于耗盡吸引力和橋接誘導吸引力等熵過程貫穿時間始終，它們會驅動最早的聚合酶和轉錄因子形成簇群，并且——一旦不同的轉錄因子出現(xiàn)——就會形成專門轉錄不同基因組的特化簇群（Cook PR. 全基因組模型：8個常見問題。https://www.petercooklab.uk/pan-genomic-model/8-faqs，訪問于2026年3月9日）。因此，LUCA可能含有基于激酶的二價開關和不同顏色的簇群，使其能夠根據(jù)食物的可獲得性進行生長或關閉。所謂的鈣工具包可能隨后進化而來，因為它存在于生命的三個域中（圖7）[139]。該工具包使鈣瞬變能夠在<1秒內穿越細胞[43, 44, 144]。很久以后，當使用突觸的最早神經系統(tǒng)進化時，我推測大自然利用了這些經過驗證的存儲和信號模塊。當然，還需要許多其他機制才能使此類神經系統(tǒng)得以進化（例如促進囊泡運輸、鈉離子流動等的機制）[139]。

以轉錄為中心的記憶印跡觀

在此背景下，我將標準模型重述如下。我們的初始神經元（圖8Ai）含有潛在的記憶印跡細胞，這些細胞可根據(jù)其轉錄簇群的類型進行分類。在形成第一段記憶之前，自發(fā)性脈沖發(fā)放預先連接了具有相容表面分子（由相似簇群指定，此處為粉色）的神經元。這些簇群存在于瓦丁頓景觀中的一個嘈雜過渡態(tài)中。重復的共同發(fā)放激活預先存在的即刻早期蛋白（如c-FOS），這些蛋白改變核內轉錄（從而改變景觀），使包含粉色簇群的山谷略微加深。由此產生的初始赫布回路現(xiàn)已準備就緒（圖8Aii），可獲取其第一段記憶（可能是關于母親的記憶；圖8Aiii），該記憶將以"粉色"記憶印跡的形式存儲在這些網絡中最易訪問的部分（例如包含粉色簇群的網絡）。鞏固過程加強共同發(fā)放的突觸，增加樹突/樹突棘/納米管，并緩慢加深山谷（圖8Aiv）。隨后與母親相關的記憶被分配到這個粉色組，同時溢出以包含具有部分共享受體的新細胞（從而產生具有更深粉色色調的記憶印跡）。如果母親看到我們的生存受到威脅，她的尖叫聲如此響亮，以至于記憶被直接導入這些網絡之一，她希望我們采取適當?shù)男袆樱ɑ叵雽嶒炇倚∈髠}皇躲避的場景）。

現(xiàn)在記憶被穩(wěn)定下來：嘈雜的轉錄減少，粉色網絡分化（需要新的轉錄和翻譯）成為一個（紅色）網絡，其突觸連接足夠穩(wěn)定以持續(xù)一生（圖8Av）。與母親相關的其他記憶印跡將存儲在具有紅色混合簇群的細胞中。當母親再次看到我們的生存受到威脅時，她的尖叫聲確保我們真正接收到信息，而這個紅色網絡的一部分現(xiàn)在存儲了一個看似遺傳的ingram（實際上是一種觸發(fā)"凍結"或"跑回家"反應的習得性記憶）。不同顏色的記憶印跡存儲與母親無關的記憶（圖8B中的藍色）。

原則上，這種以轉錄為中心的觀點——它位于標準模型的核心——可以通過監(jiān)測新簇群是否隨著新記憶的獲得和喪失而出現(xiàn)和消失來驗證。在實踐中，這因三個相互關聯(lián)的原因而變得困難。首先，轉錄組學關注的是成熟mRNA，而非新生RNA。其次，新生mRNA僅代表新生轉錄本的少數(shù)，因為大多數(shù)是新生eRNA。第三，全基因組關聯(lián)研究表明，數(shù)千個基因座（主要編碼eRNA而非蛋白質）控制細胞命運（作者提交的手稿題為"轉錄簇群與發(fā)育通路：自然、養(yǎng)育、噪聲"）。因此，我們需要將關注點從少數(shù)mRNA擴展到數(shù)千種新生非編碼RNA，以檢驗標準模型的這一變體。

推測：DNA計算機存儲并操縱我們的神經記憶

現(xiàn)在考慮對標準模型的一個激進補充：某些——或許全部——長期記憶是在指定細胞命運的DNA計算機中存儲和操縱的。想象有人問我們何時出生。盡管我們可能在很久以前花了數(shù)天或數(shù)周才學會這個答案，但我們可以在一秒內做出回應。因此，信息必須快速流經我所說的兩個"缺失的環(huán)節(jié)"——在此情況下，即從一個突觸到包含我們出生日期的核內轉錄記憶印跡（tengram），再從那里到適當?shù)妮敵鐾挥|（圖9A）。我現(xiàn)在為每個環(huán)節(jié)提出合理的機制。

所有細胞（包括海馬神經元）的核質[145]都含有鈣工具包，因此伴隨去極化的鈣瞬變可以通過核孔或核內質網在<1秒內從細胞膜傳遞到核質（圖9B，左）[45, 146, 147]。請注意，瞬變可以在神經元中雙向傳播[148]，而且"核鈣信號對長期記憶形成的要求在從果蠅到哺乳動物的進化中是保守的"[43]。

轉錄記憶印跡（tengram）的獲取可能如下發(fā)生（圖9B，右）。在非神經細胞中，相當一部分RNA聚合酶II處于暫停狀態(tài)，因為一個關鍵的延伸因子（P-TEFb）被隔離[149, 150]，而一個瞬變可以立即解除暫停（通過鈣調蛋白、PP2B/鈣調神經磷酸酶、7SK snRNP和CDK9）[151, 152]。在神經元細胞中，該回路中的另一個參與者——HEXIM1——隔離P-TEFb并調控即刻早期基因的轉錄[153]。因此，對于第一個缺失環(huán)節(jié)中的所有步驟都有充分的先例：瞬變快速改變轉錄，從而改變核內簇群的模式（圖9B）。

考慮第二個缺失環(huán)節(jié)。當一個有效延伸的RNA聚合酶II添加一個核苷酸時，隨著凈電荷變化?1，會釋放一個焦磷酸（PPi）（圖9Ci）。在此背景下重要的是，PPi是一種強大的鈣螯合劑（表觀解離常數(shù)Kd約1 μM，高度依賴于局部離子/電荷濃度）。它很快被裂解成兩個單磷酸鹽（產生更多電荷），電荷隨后被中和。由于人類RNA聚合酶II每秒添加約50個核苷酸，一個簇群每秒產生約500個PPi + 約500個負電荷（圖9Cii）。這些數(shù)字可能代表下限，因為非生產性酶會合成短暫的、即將終止的轉錄本，這些轉錄本使用大多數(shù)當前方法無法檢測到（[154]；Cook PR 全基因組模型：8個常見問題 https://www.petercooklab.uk/pan-genomic-model/8-faqs，訪問于2026年3月9日）。此外，HeLa細胞中的rDNA簇群含有約500個活躍的聚合酶I酶[155, 156]，因此核仁簇群產生的數(shù)量要大得多。請注意，鈣誘導鈣調蛋白結合到DDX21解旋酶——該酶通常隔離聚合酶I的催化亞基（RPA194），因此游離酶可以進行轉錄[157]。細胞核內能否檢測到局部鈣濃度？值得注意的是，確實可以：鈣成像揭示了心肌細胞核中的離散焦點（Jakub Tomek，個人通訊），這些焦點讓人聯(lián)想到含有新生RNA的焦點[92]。此外，神經元外部的局部電荷密度會影響神經元內的脈沖傳遞[158]，那么內部密度是否也能如此呢？我提出該系統(tǒng)利用恰到好處的PPi濃度加上電荷來修飾（或破壞）瞬變的形狀（圖9Cii，右）[159]。因此，輸入脈沖序列（本質上是一系列數(shù)字信號）產生一個被修飾的瞬變（一個模擬信號），后者反過來反饋以修改該序列（圖9D）。在此示例中，系統(tǒng)降低了波高。然而引人注目的是，心肌細胞核可以產生新的波；此外，在群體中的雙核細胞中，隨機模式的波產生可以穩(wěn)定為交替（振蕩）模式（Jakub Tomek，個人通訊）。這表明這些細胞核含有產生波所必需的反應-擴散機制（我推測該機制與簇群結合），并且不同的細胞核可以相互通訊。

現(xiàn)在想象該系統(tǒng)查詢某個特定的顆粒細胞是否包含我們的出生日期，該日期以較淺白色的簇群中的轉錄記憶印跡（tengram）形式書寫。那么，一個"查詢"去極化產生瞬變，這些瞬變穿過核質，在那里被修飾以產生"響應"（圖9E）。如果現(xiàn)在被問"我們在哪里出生？"，可以想象這臺計算機以約10比特/秒的速度緩慢處理相關數(shù)據(jù)。

根據(jù)標準模型，長期和短期記憶都在我們大腦的神經網絡中的突觸處（通過囊泡運輸）存儲和處理（圖10i和ii中的第一種可能性），或許還通過支持性的鈣基系統(tǒng)經由間隙連接加上電連接星形膠質細胞/膠質細胞等的納米管進行（圖10i，第二種可能性）。這種激進觀點增加了第三個連接組，其中瞬變連接神經元以及非神經元細胞中的細胞核（圖10i，第三種可能性），并在突觸計算機之外增加了DNA計算機（圖10ii）。回想一下，最早的神經系統(tǒng)利用基于鈣的信息傳遞，而基于囊泡的系統(tǒng)只是后來才進化出來的（圖7）。

這種觀點提出了許多問題，例如：(i) 與突觸計算機相比（以及在神經元細胞與非神經元細胞之間），有多少持久記憶存儲在DNA計算機中？(ii) 連接組在網絡的不同層中如何變化，系統(tǒng)如何將查詢分配到不同的層？（關于大型語言模型中使用的層內并行與流水線并行的優(yōu)缺點，參見[160]；關于相關調度，參見[161]。）(iii) 簇群是否含有鈣工具包，某些簇群能否同時作為鈣源和鈣匯（回想心肌細胞核產生新的振蕩波）？（關于從非神經細胞中部分純化簇群并分析其內容的方法，參見[162, 163]。）那么，鈣介導的反應-擴散可能允許一個DNA計算機內不同簇群/地址之間的通訊。（關于鈣源/匯的隨機細胞質分布如何促進信號放大和滲透等涌現(xiàn)行為的方法，參見[164, 165]。）(iv) 不同DNA計算機之間的通訊為網絡帶來了哪些新行為？例如，系統(tǒng)能否利用振蕩計算的許多優(yōu)勢[166–168]，包括超低能耗運行、大規(guī)模并行性、通過可變相位/頻率實現(xiàn)的豐富表征能力，以及噪聲魯棒性？

這種激進觀點可以通過觀察轉錄抑制劑如何影響通過的瞬變和脈沖序列來檢驗。然而，鑒于"所有細胞都使用鈣信號來響應外在和內在刺激以調節(jié)其活動"[44]，區(qū)分鈣特異性效應將不可避免地困難。

結論

許多人已經探討了記憶如何持續(xù)數(shù)十年，而各種理由促使我加入這場眾聲喧嘩。首先，與其他細胞類型相比，腦細胞在轉錄上高度活躍，并產生許多看似嘈雜的轉錄本。其次，存在兩種眾所周知的分子機制，能夠確保其他類型的記憶持續(xù)一生。一種涉及改變核酸序列，但目前沒有廣泛接受的證據(jù)表明我們在記憶和遺忘時神經元DNA或RNA會發(fā)生定向改變。另一種是成纖維細胞子代"記住"其細胞命運的方式（圖2C），因此值得考慮是什么機制使這成為可能。第三，越來越多的證據(jù)支持一種關于轉錄的替代觀點，即RNA聚合酶簇群共同轉錄功能相關的基因以確定細胞命運（圖3Aii）。換句話說，這些簇群是納米線連接的DNA計算機，使不同組的轉錄單元能夠"共同連接與共同激活"（圖6）。第四，驅動簇群形成的力貫穿時間始終，因此簇群可能存在于最早的細胞中（圖7）。因此，我提出，當最早的神經系統(tǒng)進化時，簇群會被檢驗其作為記憶模塊的適用性。這些理由促使我強化標準模型中以轉錄為中心的觀點，即簇群在記憶印跡生命周期的每個階段都發(fā)揮關鍵作用（圖8）：它們通過擁有相容的表面分子來定義哪些細胞被納入赫布回路，并通過緩慢的細胞"分化"和山谷加深為長期記憶的鞏固和存儲提供機制。長期記憶的處理將利用強化的突觸，算法在神經細胞連接組的復雜交錯中運行[169, 170]。我還推測，指定細胞命運的DNA計算機也可以將我們的記憶存儲為轉錄記憶印跡（tengrams）（圖9），不同類型計算機和連接組的交錯提供了存儲和處理我們持久記憶所需的豐富復雜性（圖10）。

總之，我提出DNA穩(wěn)定地編碼三種信息。首先，堿基序列指定轉錄本序列，從而指定蛋白質序列。其次，結合的轉錄因子自組裝成具有轉錄活性的簇群，決定細胞命運和組織結構。第三，我推測這些簇群還存儲并處理我們持久的記憶。

https://academic.oup.com/nar/article/54/8/gkag337/8663818