Создание памяти связано с обширным разрывом ДНК

Необходимость вспомнить опасный опыт требует от мозга выполнения ряда потенциально опасных действий: нейроны и другие клетки мозга вскрывают свою ДНК во многих местах — больше, чем предполагалось ранее, согласно новому исследованию — для обеспечения быстрого доступа к генетическим инструкциям. для механизмов хранения памяти.

По словам старшего автора исследования Ли-Хуэй Цай, профессора нейробиологии Пикауэра в Массачусетском технологическом институте и директора Института обучения и памяти Пикауэра, масштабы этих двухцепочечных разрывов ДНК во многих ключевых областях мозга удивительны и тревожны, поскольку разрывы регулярно ремонтируются, этот процесс может стать более дефектным и хрупким с возрастом. Лаборатория Цая показала, что затяжные DSB связаны с нейродегенерацией и когнитивным снижением, и что механизмы восстановления могут давать сбои.

«Мы хотели понять, насколько широко распространена и обширна эта естественная активность в мозге при формировании памяти, потому что это может дать нам представление о том, как геномная нестабильность может подорвать здоровье мозга в будущем», — сказал Цай, который также является профессором кафедры. наук о мозге и когнитивных науках, а также лидер инициативы MIT Aging Brain Initiative. «Очевидно, что формирование памяти является неотложным приоритетом для здорового функционирования мозга, но эти новые результаты, показывающие, что несколько типов клеток мозга ломают свою ДНК во многих местах, чтобы быстро экспрессировать гены, по-прежнему поражают».

Отслеживание перерывов

В 2015 году лаборатория Цая впервые продемонстрировала, что активность нейронов вызывает DSB и что они вызывают быструю экспрессию генов . Но эти результаты, в основном сделанные в лабораторных препаратах нейронов, не отражали в полной мере активность в контексте формирования памяти у ведущих себя животных и не исследовали, что происходило в клетках, кроме нейронов.

В новом исследовании, опубликованном 1 июля в PLOS ONE , ведущий автор и бывший аспирант Райан Стотт и соавтор и бывший техник-исследователь Олег Крицкий стремились исследовать весь ландшафт активности DSB в обучении и памяти. Для этого они подавали мышам небольшие электрические разряды по ногам, когда они входили в коробку, чтобы вызвать у них воспоминания о страхе в этом контексте. Затем они использовали несколько методов для оценки DSB и экспрессии генов в мозге мышей в течение следующих получаса, 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 в мозге мышей, которые не испытали удар ногой, чтобы установить базовый уровень активности для сравнения.

Создание воспоминаний о страхе удвоило количество DSB среди нейронов в гиппокампе и префронтальной коре, затрагивая более 300 генов в каждой области. Затем исследователи изучили, что делают эти гены среди 206 затронутых генов, общих для обоих регионов. Многие из них были связаны с функцией связей, которые нейроны создают друг с другом, называемых синапсами. Это имеет смысл, потому что обучение возникает, когда нейроны меняют свои связи (явление, называемое «синаптической пластичностью»), а воспоминания формируются, когда группы нейронов соединяются в ансамбли, называемые инграммами.

«Многие гены, необходимые для нейрональной функции и формирования памяти , и значительно большее их количество, чем ожидалось на основании предыдущих наблюдений в культивируемых нейронах … потенциально являются горячими точками формирования DSB», — пишут авторы в исследовании.

В другом анализе исследователи подтвердили путем измерения РНК, что увеличение DSB действительно тесно коррелировало с усилением транскрипции и экспрессии затронутых генов, в том числе влияющих на функцию синапсов, уже через 10-30 минут после воздействия электрошока.