ДНК представляет собой информационный носитель, чертёж сборки и функционирования живого организма. Поэтому чрезвычайно важно обеспечить стабильность и защиту нуклеиновой кислоты как от внешних, так и от внутренних повреждающих факторов. В генетическом аппарате клетки постоянно происходят процессы, которые потенциально способны изменить генетический код – это мутации и ошибки распределения генетического материала при делении клеток. В свою очередь, целая группа ферментов регулярно отслеживает неточности кода и исправляет их до исходной версии, но и в их работе могут быть нарушения.
Эпигенетические модификации
Изменения в структуре ДНК регулярно случаются, причём клетка делает это умышленно. Один из вариантов – изменения не в последовательности нуклеотидов, которая остаётся неизменной, а их химическая модификация. Исследования группы Хунцзюнь Суна из Университета Джона Хопкинса показывают, что нейроны постоянно модифицируют ДНК, используя эпигенетические метки. Ген помечается специальными маркёрами – метиловыми группами. Метилирование влияет на процесс транскрипции, т. е. считывания информации – синтеза мРНК с последующим производством белка, структуру которого он кодирует. При метилировании происходит пришивание –CH3 групп к азотистому основанию цитозину (одному из четырёх букв генетического кода наряду с аденином, гуанином и тимином). Существует и обратный процесс – деметилирование – снятие метки с гена. Технически он значительно сложнее – ферментам необходимо целиком вырезать азотистое основание с метильной группой и заменить его на новый, неизменённый цитозин.
Синаптическая пластичность
Учёные отмечают, что деметилирующая активность тесно связана с синаптической пластичностью – регуляцией силы взаимодействия нейрона с окружающими нервными клетками. Нейроны обмениваются импульсами, в синапсах увеличивается концентрация нейромедиаторов, выделяемых нейроном, посылающим импульс, а у принимающей импульс пресинаптической мембраны другого нейрона, повышается количество рецепторов к ним. Синаптическая пластичность обеспечивает способность нервной системы к обучению – чем она выше, тем более вариативен мозг. Поиски генетического субстрата, инициирующего синаптическую пластичность, привели к открытию гена Tet3, реагирующего на изменения активности межнейронных контактов.
При активации нейронов начинается процесс метилирования ДНК, происходит, в том числе и повышение активности гена Tet3, ответственного как раз за сложный процесс деметилирования. В результате уменьшается количество рецепторов Glur1 в синапсе. Синаптическая пластичность снижается: нервные клетки перестают реагировать на изменения в своём окружении и возвращаются к исходному состоянию. И наоборот, в эксперименте при отключении гена Tet3 количество рецепторов Glur1 увеличивается, и синаптическая пластичность повышается.
Таким образом, процесс метилирования ДНК напрямую влияет на стимуляцию синаптической пластичности, которая обеспечивает усиление памяти и увеличение способности к обучению, позволяя обрабатывать и сохранять информацию, осваивать новые навыки и решать задачи.
Индуцированные разрывы
Дальнейшие исследования в области нейрогенетики продемонстрировали, что процессы метилирования ДНК оказались не единственным способом регуляции активности генов, приводящей к изменению функционирования мозга. Ещё один способ является весьма неожиданным и нестандартным. Хотя биологи и врачи уже давно заметили – для того чтобы активировать какую-то функцию или простимулировать рост ткани, требуется нанести некое контролируемое повреждение.
Одним из примеров является RF-лифтинг в косметологии. В его основе лежат процессы, начиная от стимуляции пролиферации клеток и заканчивая коагуляционным некрозом, в зависимости от частоты, напряжения и формы радиоволны. После разрушения белка запускается механизм синтеза новых молекул коллагена, которые в течение определённого срока полностью заменят старые. В результате повышается упругость и эластичность кожи, она приобретает подтянутый здоровый вид. Однако это работает при изначально высокой ресурсности кожи, когда она обладает высоким потенциалом к регенерации. В противном же случае результат процедуры, как минимум, не оправдает возложенных на неё надежд.
На сегодняшний день в целом ряде научных работ удалось зафиксировать крайне неожиданный и интересный факт: для того чтобы нейронная сеть сохраняла информацию и обучалась, нервные клетки постоянно разрывают обе цепи своей нуклеиновой кислоты. Именно двухцепочечные разрывы в ДНК помогают активировать гены, необходимые для формирования и укрепления межнейронных контактов. Причём было установлено, что сайты двухцепочечных разрывов ДНК, индуцированные активностью нейронов, преимущественно локализуются на периферии клеточного ядра.
Учёные из Массачусетского технологического института провели целый ряд экспериментов для понимания происходящих в клетках молекулярных изменений при таких повреждениях. Они обработали нейроны мышей генотоксическим агентом – этопозидом, вызывавшем двухцепочечные разрывы в ДНК, а затем оценивали изменения генетической активности в клетках.
Воздействие токсина отразилось на работе 700 генов, и, как и ожидалось, в результате его повреждающего действия активность подавляющего большинства из них снизилась. Удивительным был тот факт, что у 12 генов активность наоборот возросла, несмотря на появившиеся в них разрывы структуры ДНК. И именно эта дюжина генов была ответственна за формирование ответа нейронной сети на внешние стимулы: изменения в межнейронных связях, делающих их прочнее и более эффективно проводящими сигналы. Таким образом, при попытках усиления синапсов в ДНК нейронов образуются разрывы. Следовательно, в основе запоминания и обучения лежит активация соответствующих генов, происходящая в нейронах при повреждении их ДНК.
Механизмы искусственной деструкции
Следующим этапом стало выяснение за счёт каких механизмов в ответ на внешний стимул происходит разрыв обеих цепочек наиболее важной и особо охраняемой молекулы клетки. Ферментом, осуществляющим деструкцию ДНК оказалась топоизомераза IIβ (Top2β). Нуклеиновая кислота в клетке закручена в спирали и опутана белками, что серьёзно затрудняет работу ядерных белков, обеспечивающих её удвоение при делении клеток или транскрипцию – считывание информации посредством синтеза на её основе матричной РНК. Именно топоизомеразы сначала разрывают, а затем сшивают ДНК, распутывая её и, тем самым обеспечивая к ней доступ. В экспериментах по отключению топоизомеразы IIβ число разрывов ДНК резко снижалось, и гены, ответственные за реакцию нейронов на стимул, замолкали.
В непосредственной близости с генами, обеспечивающими нейронный ответ, находятся последовательности нуклеотидов, привлекающие специальный белок CTCF (CCCTC-binding factor). Этот белок формирует петли или изгибы ДНК и является ингибитором транскрипции, т. е. в его присутствии ген неактивен.
Сформированные CTCF-белком петли выступают в роли барьера, предотвращающего взаимодействие разных фрагментов ДНК друг с другом – критического этапа в механизме экспрессии генов. Двойные разрывы ДНК помогают преодолеть данный барьер и повысить экспрессию этих генов. Фермент топоизомераза разрезает ДНК, обеспечивая сближение регуляторных последовательностей, невзирая на белок CTCF. Начинается транскрипция гена, изменяется нейропластичность сети, и возникает ответ на входящую информацию.
Команда учёных из Массачусетского технологического института продолжила свои исследования, и в новой статье в PLOS ONE описываются уже эксперименты, поставленные не in vitro – с нервными клетками, а in vivo – на мышах.
Двухцепочечные разрывы ДНК определились у животных через полчаса после того, как в клетках их били по лапам слабыми разрядами электрического тока. Причём наибольшее количество повреждений ДНК наблюдалось в нейронах двух областей мозга, ответственных за запоминание информации – гиппокампе и префронтальной коре. Учёные установили, что разрывы в ДНК увеличивали активность 100–150 генов, ответственных за регуляцию синаптической пластичности. Исследователи также увидели ещё одну, очень интересную и неожиданную вещь.
Роль глии
Повреждения в ДНК регистрировались не только в нейронах, но и в астроцитах – глиальных, обслуживающих нейроны клетках, которые, по данным современных исследований, не только поддерживают и питают нейроны, но напрямую влияют на нейронные импульсы и участвуют в процессах запоминания информации. Также известно, что эти клетки чувствительны к гормонам стресса – глюкокортикостероидам.
В исследовании было установлено, что разрывы ДНК в астроцитах зависят от поступления глюкокортикоидных сигналов. Когда гормональные рецепторы отключали, разрывов в ДНК образовывалось значительно меньше. Таким образом, на основе полученных экспериментальных данных можно предположить, что наряду с нейронами и астроциты, повреждая свою ДНК, участвуют в формировании памяти.
Спустя три года команда учёных из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна в своей статье в Nature описала уже несколько иной механизм, который нейроны гиппокампа используют для запоминания информации. В его основе также лежит повреждение ДНК, но оно требуется для запуска определённых элементов воспалительной реакции.
Воспаление и восстановление
В ходе эксперимента Елена Радулович и её коллеги научили мышей ассоциировать небольшой электрический шок с новой средой. Когда животных снова помещали в эту среду, они запомнили полученный опыт и начинали проявлять признаки страха, например, замирать на месте. Затем исследователи изучили активность генов в нейронах ключевой области мозга – гиппокампе. Они обнаружили, что некоторые гены, ответственные за воспаление, стали активны в геноме нейронов через четыре дня после тренировки. Спустя три недели их активность была уже значительно снижена. Эта воспалительная реакция оказалась связана с белком TLR9 (толл-подобным рецептором 9). Фрагменты ДНК, заключённые в специальные мембранные пузырьки, переходили из ядра в цитоплазму клетки и группировались у центросомы (клеточной органеллы, которая управляет расхождением хромосом при делении). Затем TLR9 в комплексе с несколькими белками запускал процесс восстановления ДНК в клеточном ядре.
Толл-подобные рецепторы реагируют на чужеродную ДНК или РНК при проникновении патогенов, инициируя каскад реакций внутри клетки и сигнализируя о вторжении клеткам-соседям и иммунным клеткам.
В эксперименте, в тех нейронах, где активировался TLR9, повреждения в ДНК сохранялись спустя несколько дней – TLR9 был необходим для того, чтобы мыши запомнили нужную информацию. При его отключении животные теряли способность к запоминанию.
Несмотря на то, что TLR9 относится к классу иммунных белков, участвующих в процессах воспаления, при описанном выше процессе воспаления как такого не происходит. В данном случае два физиологических процесса: активация иммунной защиты и механизм нейронной памяти пользуются одинаковыми молекулярными инструментами.
Авторы исследования полагают, что при нарушении функции TLR9 этот фундаментальный механизм памяти становится причиной нестабильности генома и когнитивных нарушений, которые приводят к ускоренному старению, психическим расстройствам и нейродегенеративным заболеваниям.
Молекулярный парадокс
После повреждения ДНК происходит восстановление разрыва с помощью специальных ферментных систем. Тем не менее, если в ходе ремонтных работ возникают ошибки, и повреждения остаются неисправленными, возникает парадокс – молекулярный механизм, который обеспечивает формирование памяти, при сбоях в его работе приводит в дальнейшем, порой спустя десятилетия, к её же нарушениям. Именно с этим, вполне возможно, связано развитие болезни Альцгеймера – установлено, что ещё до развития деменции в ДНК нейронов гиппокампа, одного из главных центров памяти, появляются множественные разрывы.
Таким образом, запоминание информации и способность к обучению, а также возрастные когнитивные нарушения являются двумя сторонами одной медали. В их основе лежит единый механизм, а точнее, необходимые повреждения ДНК в первом случае и недостаточная её репарация во втором. Это объясняет тот факт, что болезнь Альцгеймера не щадит никого, ей подвержены как лица, чья деятельность не связана с интеллектуальным трудом и досугом, так и люди, активно и постоянно работающие с большими объёмами информации. И это совершенно не означает, что не нужно учиться и развиваться, а с точностью до наоборот. Разрывы ДНК необходимы для работы нейронной сети, в том числе и для регуляции поведения, функционирования внутренних органов и систем, без которых невозможно жизнеобеспечение организма. Тем более, что разрывы ДНК происходят и по причине мутаций. Необходима коррекция сбоев именно системы их восстановления. И здесь остаётся уповать на развитие нейрофармакологии: возможно уже в ближайшем будущем создадут препараты, поддерживающие репаративные клеточные системы. В частности команда Елены Радулович считает, что именно поддержание целостности воспалительной передачи сигналов TLR9 является многообещающей стратегией профилактики нейрокогнитивных нарушений.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов, и теперь статьи канала Intellectus увидят только его подпиcчики. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Другие материалы по теме «Современные вопросы биологии»:
