Нейроны постоянно переписывают свою ДНК

Здесь показаны нейроны гиппокампа мыши. Оранжевым светом отмечены поверхностные рецепторы GluR1 (чем ярче свечение, тем выше активность). Слева – нейроны обычные, справа - при повышенном уровне Tet3
(фото Huimei Yu, Johns Hopkins Medicine).

"Мы привыкли думать, что, когда клетка достигла полного созревания, её ДНК становится стабильной и постоянной. Молекулярные ярлыки, которые крепятся к ней, регулируют работу генов и определяют специализацию клетки, также не меняются, — рассказывает профессор неврологии и нейронаук Хунцзюнь Сун (Hongjun Song) из Университета Джона Хопкинса. – Наше исследование показало, что некоторые клетки меняют свою ДНК постоянно просто для выполнения ежедневных функций".

Изменение ДНК происходит в процессе деметилирования, то есть удаления метильных групп. "Вести.Наука" уже не раз рассказывали о процессе метилирования ДНК, который не меняет последовательность нуклеотидов (генетических "букв"), но существенно изменяет активность тех или иных генов.

Метильные группы связываются с одним из четырёх азотистых оснований ДНК цитозином (Ц). Удаление их – это многоступенчатый процесс, который включает в себя вырезание из ряда пар "букв" цитозина с прикреплённой к нему метильной группой. Затем цитозин в идеале без метильной группы возвращается на своё законное место в цепи.

То есть данное вмешательство приводит к разрезанию ДНК соответствующими соединениями, а значит, открываются возможности для генетических мутаций. По этой причине клетки используют данный процесс "с чувством, с толком, с расстановкой" — как правило, для правки ошибок.

Недавние исследования показали, что этот чувствительный процесс, однако, активно идёт в мозге многих млекопитающих, гораздо более активно, чем в остальных органах и тканях. ДНК переживает многочисленные модификации. Группа Суна хотела выяснить, почему столь рискованные преобразования происходят в столь важной для организма нервной ткани.

Тут стоит вспомнить, как клетки нервной ткани нейроны "общаются" между собой. Соединения клеток называются синапсами. В них один нейрон передают сигнал другому, испуская химические "сообщения", которые принимаются белковыми рецепторами второй клетки.

Объём "передаваемых данных" регулируется активностью генов, отвечающих за производство тех или иных белков. То есть активность генов (мы помним, что на них влияет процесс метилирования) определяет количество отправляемых химических "сообщений" и получающих их рецепторов на поверхности нейронов.

Когда команда Суна стала добавлять различные препараты к нейронам, извлечённым из мозга мышей, активность синапсов стала меняться. Объём передаваемой информации уменьшался либо увеличивался.

Учёные выяснили, что это связано с активностью гена Tet3, который инициирует то самое деметилирование ДНК. Когда его практически не происходило, активность гена была слабой.

В дальнейшем американские исследователи искусственно изменили содержание Tet3 в клетках. Оказалось, что в отсутствие гена активность синапсов увеличивается, и наоборот. Тогда учёные решили выяснить, зависит ли работа гена от активности синапсов. Оказалось, что низкое содержание Tet3 приводит к увеличению производства в синапсах приёмника химических сообщений белка GluR1.

Таким образом, команда Суна обнаружила механизм, с помощью которого синапсы поддерживают на примерно одинаковом уровне приёмку приходящих от других клеток сообщений.

Так, если "объём входящих данных" высок (нейроны обмениваются большим количеством сигналов), то ген Tet3 включается в работу. В результате "помеченный" метильными группами цитозин вырезается из ДНК. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению выработки белка GluR1 и, как следствие, возвращению синапсов в спокойное состояние.

Может происходить и обратный процесс, который приводит к усилению работы синапсов, если первоначальная активность "товарищей" низкая.

"Если вы ослабите нейронную активность, нейроны увеличат "объём принимаемых данных", чтобы попытаться вернуться на прежний обычный для них уровень, и наоборот. Но они не могут сделать этого без гена Tet3", — сообщает Сун.

Понятно, что поломка такого рода регуляторного механизма приводит к нарушениям в работе нервной ткани и как следствие к ухудшению способности к обучению, ослаблению памяти и различным нарушениям мозговой деятельности.

Возможно, некоторые заболевания появляются именно из-за рискованных изменений ДНК и потери нейронами способности к восстановлению прежнего уровня активности, пишут учёные в статье, вышедшей в журнале Nature Neuroscience.