基因遺傳如何影響記憶學習?
110年09月10日
【本篇報導由科學教育中心 李麗卿助理研究學者研究團隊提供】 本研究的目的在探討表觀遺傳因素如何影響學習記憶與科學學習。過去研究顯示，遺傳因素影響科學學習大約佔了60％的變異（Polmin & Haworth, 2008），然而，最近研究顯示基因與環境交互作用（表觀遺傳），可能是影響大腦發育、大腦可塑性以及學習行為最主要的因素：環境因子可活化細胞內信號通路，改變表觀遺傳基因的狀態。而表觀遺傳基因會透過神經生理影響神經可塑性，進而調控學習與記憶。在表觀遺傳因素的研究中，非編碼小分子RNA（MicroRNA）目前被認為是調控大腦發育及認知學習記憶的首要因子。本研究的目的即在探討大腦可塑性相關神經路徑中的非編碼小分子RNA與認知能力、科學學習成效間的關係。此外，本研究亦探討遺傳因素，包括遺傳和表觀遺傳學，如何影響青少年認知功能與科學學習記憶。若能發現學習環境與遺傳如何進行交互作用，將在適性化學習的學術與實務面上提供重要啟發。 本研究的目的是探討基因（包括表觀遺傳學，epigenetics）因素如何影響工作記憶與科學學習。儘管遺傳因素影響腦發育和行為變化的變異大約60％左右，然而，最近研究顯示大腦的可塑性和表觀遺傳因素，才是影響大腦發育和行為變化的主要因素。尤其，在這些表觀遺傳因素的研究中，非編碼小分子RNA（MicroRNA）已經成為了主要調控影響大腦發育及認知學習記憶的首要因素。本研究的首要目的是探討工作記憶、認知風格與青少年學習成就之間的關係；第二個目的是要調查是否遺傳因素，包括遺傳和表觀遺傳學，對青少年工作記憶和認知功能發揮作用的相關性。在科學教育工作記憶和認知機制之間的相互作用也是研究重點。我們將以研究結果開發適合的教學措施，支持學生科學學習。 研究成果主要為「非編碼小分子RNA（miR）與CpG甲基化結合蛋白2（MeCP2）兩種表觀遺傳（Epigenetic）調控因子的平衡與學習記憶的相關性」。根據前人的研究，CpG甲基化結合蛋白2（MeCP2）的表現量太高或太低都會造成嚴重的神經發育缺失，造成蕾特氏症（Rett syndrome）和自閉症譜系障礙（autism spectrum disorders）。為了瞭解CpG甲基化結合蛋白2（MeCP2）如何調控基因與蛋白的表現，進而影響學習記憶的分子機制，我們利用可調控單一基因表現之人類神經瘤細胞株（SH-SY5Y）作為研究工具，探究CpG甲基化結合蛋白2（MeCP2）的分子機轉，與非編碼小分子RNA（miR）的平衡調控，用以推估學生血漿樣本中小分子RNA（miR）以及相關影響重要基因（包括：CpG甲基化結合蛋白2（MeCP2）、神經滋養因子（BDNF）、環磷酸腺苷反應調節因子（CREB））的量及預測影響學習記憶、認知負荷的路徑與機制。我們發現基測成績較差的學生（二十百分比以下），其血液樣本中含較高的CpG甲基化結合蛋白2（MeCP2）表現量，此時藉由高MeCP2表現之神經細胞株的反應，我們已證實藉由活化神經滋養因子（BDNF），增加合成小分子RNA（miRNA-132），進而負回饋抑制CpG甲基化結合蛋白2（MeCP2）的表現，研究結果證實學生的學習成績與CpG甲基化結合蛋白2（MeCP2）的表現量呈現負相關，且更進一步證實藉由miRNA-30a-5p負回饋調控BDNF的表現 （Lee et al., 2019）。 總觀現今國內外研究，表觀基因調控記憶學習已成為研究焦點，本著這兩年的研究成果，我們堅持研究團隊對ECNG（教育、認知心理學、神經科學、基因體學）的初衷，探討學習記憶與行為的相關機制，研究的最終目的是了解調控影響學習記憶的機轉，我們的研究結果將應用在開發適合的教學措施，以支持學生科學學習。 圖一：模擬甲基化蛋白2的穩態調節 模擬正常與患病大腦中甲基化蛋白2與合成小分子RNA的穩態調控，甲基化蛋白2通過合成小分子RNA，活化神經滋養因子正負平衡調控甲基化蛋白表現，進而影響大腦記憶與學習功能。 原文出處：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30806012/