Sleep-dependent engram reactivation during hippocampal memory consolidation associated with subregion-specific biosynthetic changes

1. Article Information

• Title : Sleep-dependent engram reactivation during hippocampal memory consolidation associated with subregion-specific biosynthetic changes
• Corresponding author : [[ Sara J. Anton ]]
• Keyword : #Hippocampus, #DentateGyrus, #Engram, #SleepDeprivation (SD), #GeoMx, #Sleep

2. TL;DR 😴➡️🧬

Post-learning sleep은 DG inferior blade의 engram 재활성화를 촉진해 기억 공고화를 돕고, Sleep depriviation은 inferior blade에서의 neural activity와 **actin cytoskeleton**·**ribosomal biogenesis** 관련 전사 프로그램을 선택적으로 억제해 Contextual fear memory (CFM)을 손상시킨다.

3. 연구 배경 및 목적

• Hippocampus-dependent memory는 수면 직후의 오프라인 재생(reactivation)에 의해 공고화된다는 가설이 강력하다.
• 특히 DG는 neocortex→entorhinal→DG로 이어지는 입력 관문이며 engram 조작만으로도 CFM recall이 가능하다.

• 본 연구는 CFC 이후 수면 vs. SD 조건에서 DG (superior vs. inferior) engram 재활성화와 이에 수반되는 subregion-specific 전사·단백질 변화를 규명하는 것을 목표로 했다.

4. 주요 발견 (핵심 결과) ⭐️

1. Subregion-specific engram 재활성화: CFC 후 6h 동안 수면 시 **inferior blade** engram이 선호적으로 재활성화되고, SD에서는 이 재활성화가 소실된다. 반면 맥락 재노출(waking)은 주로 superior blade를 활성화한다. (Fig. 2, p.5)
2. Inferior blade 선택적 활동 억제: SD는 DG inferior blade의 cFos/Arc+ 세포를 감소시키는 반면, CA1/CA3 및 hilus에서는 IEG 신호가 증가한다. (Fig. 3, p.6–7)
3. Subregion-specific transcriptome: GeoMx-WTA에서 SD가 유도하는 DEGs가 DG blades, CA1, CA3에서 크게 상이. 특히 inferior blade에서 **activity-driven transcripts** 및 **actin cytoskeleton** 관련 유전자들이 선택적으로 억제된다. (Fig. 4–6, p.8–13)
4. 학습 효과의 DG 제한성: CFC 6h 후 전사 변화는 DG에만 검출되며(특히 superior blade에서 784 DEGs), CA1/CA3/hilus에서는 유의미한 변화가 없다. (Fig. 7, p.14–15)
5. 단백질/인산화 단백질 수준의 차등성: SD는 CA1/CA3/hilus에서 pS6, pERK1/2를 증가시키며, blade 간 단백질-전사체 차이가 부분적으로 불일치한다(번역·수송 속도 차이 시사). (Fig. 8, p.16–17)

5. Methods 🔬

• Engram 라벨링: cfos-CREER × tdTomato (TRAP) 시스템 + 4-OHT.
• 행동: Single-trial CFC (Context A, 0.75 mA shock), 이후 6h ad lib sleep 또는 gentle handling 기반 SD. CFM은 freezing% 변화로 정량.
• IHC: cFos/Arc
• Spatial transcriptomics (GeoMx DSP, WTA): DG superior/inferior blade, hilus, CA1, CA3 ROI 정의 후 20k 유전자 프로파일링; LMM, FDR<0.1.
• Protein/phosphoprotein DSP: MAPK/PI3K/AKT 등 패널 기반 정량.
• Pathway 분석: GO/KEGG, upstream regulator 예측.

6. Figure별 요약 (Results 하위소제목 기반) 🖼️

Figure 1 (p.4): 맥락 재노출·CFC에서의 engram 특이성

• TRAP-labeled DG granule cell이 동일 맥락에서 더 잘 재활성화. 특히 superior blade에서 A→A 조건의 cFos/tdTomato overlap 증가.

Figure 2 (p.5): 수면 의존적 engram 재활성화

• CFC 후 수면 조건에서 DG inferior blade engram 재활성화↑, SD에서 소실. CFM freezing도 SD에서 감소.

  Figure 3 (p.6–7): SD가 하위엽별·영역별 IEG에 미치는 영향

• SD는 inferior blade의 cFos/Arc+ 세포↓, hilus/CA3/CA1에서는 IEG↑. subregion별 상반된 네트워크 반응을 제시.

Figures 4–5 (p.8–11): SD 전사체 변화의 다양성

• SD DEGs: DG superior(2097) vs inferior(1501), CA1(732), CA3(394) 등 부분 겹침이나 다수는 고유.
• 공통 KEGG: Circadian entrainment; blade-특이 항목: superior의 glutamatergic synapse/mitochondrial ribosome 편향, inferior의 endocannabinoid/oxytocin signaling 및 IEGs 억제. (도식·벤다이어그램 p.8–9)

Figure 6 (p.11–12): Blade 간 차이(수면 vs SD)의 재구성

• Sleep과 SD에서 inferior vs superior 차이가 뒤집히는 유전자(Homer1, Tesc 등).
• SD 조건에서만 regulation of actin cytoskeleton 경로가 inferior blade↓로 집중 억제(Arp2/3, Pfn1/2, Pak1 등). 이는 spine remodeling 손상 가설을 지지.

Figure 7 (p.14–15): 학습(CFC) 효과의 DG 제한성

• 6h 시점 CFC DEGs는 DG에만 존재(superior 784 > inferior 32). Superior에서 glutamate receptor/vesicle release↑, GABA receptor↓ → E/I balance 재설정 시사.

Figure 8 (p.16–17): 단백질·인산화 단백질의 영역별 변화

• SD: CA1/CA3/hilus의 pS6/pERK1/2↑; DG blades에서는 Sleep/SD 주효과 제한적. Blade 간 pS6 vs Rps6와 같은 전사-단백 불일치 사례 제시(번역·수송 차이 가능성).

7. Discussion 요약 💡

• 핵심 메시지: 수면은 CFC 후 DG inferior blade engram의 오프라인 재활성화를 통해 CFM 공고화를 촉진한다. SD는 이 재활성화 창구를 닫고, 동시적으로 actin cytoskeleton·ribosomal biogenesis를 억제해 구조적/번역 기반 가소성을 방해한다.
• 회로 관점: Superior vs. inferior blade는 entorhinal input 구성·interneuron 밀도가 달라 SD 시 inferior blade 억제성 게이팅이 강화될 수 있다(가설). CA1/CA3의 IEG↑는 기억에 유익하지 않고 circuit SNR 저하를 야기할 수 있다.
• 제한점: (i) 6h 단일 시점, (ii) subregion 벌크 ROI(세포형/소기관 분해능 미비), (iii) engram-specific single-cell/axon-dendrite compartment 해상도 부재. 후속 연구는 cell type-resolved, compartment-resolved, engram-targeted 접근 필요.

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