Мозгу требуется выполнить ряд потенциально опасных действий, чтобы запомнить опыт страха: нейроны и другие клетки мозга вскрывают свою ДНК во множестве мест — большем, чем предполагалось ранее, как говорит новое исследование — чтобы обеспечить быстрый доступ к генетическим инструкциям для механизмов хранения памяти.
По словам профессора нейробиологии, директора Института обучения и памяти Пикауэра в Массачусетском технологическом институте и ведущего автора исследования Ли-Хуэй Цай, масштабы этих двухцепочечных разрывов ДНК (double-strand break, DSB) во многих ключевых областях мозга удивительны, но тревожны. Повреждения регулярно восстанавливаются, но этот процесс может стать более проблемным и хрупким с возрастом. Лаборатория Цай показала, что затяжные DSB связаны с нейродегенерацией и снижением когнитивных способностей, и что механизмы восстановления могут давать сбои.
«Мы хотели понять, насколько широко распространена и обширна эта естественная активность мозга при формировании памяти, потому что это дает представление о том, как геномная нестабильность может подорвать здоровье мозга в будущем, — говорит Цай. — Очевидно, что формирование памяти — это внеочередной приоритет для здорового функционирования мозга, но эти новые результаты, показывающие, что несколько типов клеток мозга разрушают свою ДНК во многих местах, чтобы быстро экспрессировать гены, по-прежнему поражают».
Отслеживание разрывов
В 2015 году лаборатория Цай впервые продемонстрировала, что активность нейронов вызывает двухцепочечные разрывы ДНК, а они в свою очередь — быструю экспрессию генов. Но эти результаты, полученные на лабораторных препаратах нейронов, не отражали в полной мере активность в контексте формирования памяти у животных и не затрагивали то, что происходит в клетках, помимо нейронов.
В новом исследовании, опубликованном в PLOS ONE, Райан Стотт и Олег Крицкий постарались изучить весь ландшафт активности DSB при обучении и запоминании. Для этого они подавали мышам, влезающим в коробку, небольшие электрические разряды по лапкам, чтобы создать воспоминания о страхе в этом контексте. Затем они использовали несколько методов для оценки DSB и экспрессии генов в мозге мышей в течение следующих 30 минут, особенно среди различных типов клеток в префронтальной коре и гиппокампе — двух областях, важных для формирования и хранения условных воспоминаний о страхе. Они также провели измерения мозга мышей, которые не получали удара током, чтобы установить базовый уровень активности для сравнения.
Формирование памяти о страхе удвоило количество двухцепочечных разрывов ДНК среди нейронов в гиппокампе и префронтальной коре, затрагивая более 300 генов в каждой области. Затем исследователи изучили, что делают 206 затронутых генов, общих для обеих областей. Многие из них относятся к функции синапсов — связей, которые нейроны создают друг с другом. Это логично, потому что мы обучаемся, когда нейроны меняют связи (явление, называемое «синаптической пластичностью»), а воспоминания формируются, когда группы нейронов соединяются в ансамбли, называемые инграммами.
«В функционировании нейронов и формировании памяти затронуто множество генов, и значительно большее их количество, чем ожидалось на основании предыдущих наблюдений в культивируемых нейронах, …потенциально служат горячими точками формирования DSB», — пишут авторы в исследовании.
В другом анализе исследователи путем измерения РНК подтвердили, что увеличение двухцепочечных разрывов ДНК действительно тесно коррелировало с повышенной транскрипцией и экспрессией затронутых генов, в том числе тех, что влияют на функцию синапсов, уже через 10-30 минут после воздействия электрошока.
«В целом, мы обнаруживаем, что изменения транскрипции сильнее связаны с [DSB] в мозге, чем предполагалось, — пишут они. — Ранее мы наблюдали 20 ген-ассоцииорованных локусов [DSB] после стимуляции культивируемых нейронов, в то время как в гиппокампе и префронтальной коре мы видим более 100–150 ген-ассоцииорованных локусов [DSB], индуцированных транскрипцией».
Связь со стрессом
При анализе экспрессии генов нейробиологи смотрели не только на нейроны, но и на ненейронные клетки мозга, или глию, и они также показали изменения в экспрессии сотен генов после формирования памяти страха. Например, известно, что глии, называемые астроцитами, участвуют в обучении, связанном со страхом, и они показали значительные изменения DSB и экспрессию генов при преднамеренном формировании памяти страха.
Одной из наиболее важных функций генов, связанных с разрывами ДНК в глии при запоминании опасного опыта, была реакция на гормоны. Поэтому исследователи посмотрели, какие гормоны задействованы особо, и обнаружили, что это глютокортоиды, которые выделяются в ответ на стресс. Разумеется, данные исследования показали, что в глии многие разрывы ДНК, возникшие вследствие стимулирования чувства страха, происходят в геномных областях, связанных с глютокортоидными рецепторами. Дальнейшие тесты показали, что прямая стимуляция рецепторов гормонов может запускать те же разрывы, что и запоминание опасного опыта, а блокирование рецепторов может предотвратить транскрипцию ключевых генов.
Осознание того, что глия так глубоко вовлечена в формирование воспоминаний, обусловленных страхом, — это важный сюрприз нового исследования, считает Цай.
«Способность глии создавать устойчивый транскрипционный ответ на глютокортикоиды предполагает, что она играет гораздо большую роль в реакции на стресс и его влиянии на мозг во время обучения, чем считалось ранее», — пишет она.
Повреждения и опасность?
Необходимы дополнительные исследования, чтобы доказать, что двухцепочечные разрывы ДНК, необходимые для формирования и хранения воспоминаний о страхе, представляют угрозу для здоровья мозга в будущем, но новое исследование только добавляет доказательств того, что это может быть так, говорят авторы.
«В целом мы определили участки двухцепочечных разрывов в генах, важных для функции нейронов и глии, предполагая, что нарушение репарации ДНК этих повторяющихся разрывов, которые генерируются как часть активности мозга, может привести к геномной нестабильности, способствующей старению и заболеваниям головного мозга», — пишут они.