В недавнем исследовании, опубликованном в журнале ПриродаИсследователи обнаружили, что рекрутированию нейронов в цепи памяти предшествует каскад молекулярных событий, индуцируемых во время обучения, который включает в себя повреждение двухцепочечной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в кластерах нейронов гиппокампа и восстановление, опосредованное toll-подобным рецептором 9 (TLR9).
Исследование: Формирование сборок памяти посредством ДНК-чувствительного пути TLR9. Изображение предоставлено: Миллиард фотографий / Shutterstock
Фон
Воспоминания формируются, когда нейроны гиппокампа подвергаются долговременной молекулярной адаптации, формируя кортикальные микросхемы в ответ на стимулы. Этот процесс энергоемок и включает существенные морфологические и биохимические изменения. Считается, что эти молекулярные изменения вызывают временные разрывы в двухцепочечной ДНК.
Исследования также изучили роль внутренних нейрональных и ранее существовавших программ развития в формировании памяти и обнаружили, что в этом процессе участвуют транскрипционные факторы, такие как белок, связывающий элементы циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) (CREB). Недавние исследования также были сосредоточены на понимании того, как межнейронные перинейрональные сети контролируют тормозящие входы в нейронные сборки для стабилизации цепей памяти.
Об исследовании
В настоящем исследовании ученые попытались понять и идентифицировать любые всеобъемлющие процессы, которые интегрировали ранее существовавшие механизмы развития и пути, инициируемые стимулами, которые влияли на нейроны, заставляя их создавать сборки или микросхемы, специфичные для памяти.
Мышиные модели использовались для анализа транскрипционных профилей нейронов в областях дорсо-гиппокампа в течение более 48 часов, чтобы понять немедленную, раннюю и отсроченную экспрессию генов и передачу сигналов белков. Для этого анализа мышей подвергали контекстуальному воздействию страха, а образцы гиппокампа, полученные через четыре или 21 день после обработки, использовали для массового секвенирования рибонуклеиновой кислоты (РНК).
Учитывая, что временные разрывы в двухцепочечной ДНК, как известно, индуцируются во время активности нейронов для индукции немедленной ранней экспрессии генов, они предположили, что повреждение ДНК, вызванное обучающей деятельностью, может быть более обширным и устойчивым в отдельных популяциях нейронов. Иммунофлуоресцентное мечение проводилось с использованием антител, специфичных для связывания фосфогистона γH2AX с двухцепочечными разрывами ДНК, чтобы понять происхождение внеядерных фрагментов двухцепочечной ДНК, генерируемых контекстуальным обуславливанием страха.
Срезы мозга также собирали через час после контекстуального формирования страха для анализа сигналов γH2AX, связанных с непосредственной ранней экспрессией генов. Кроме того, с помощью иммуноокрашивания также была проанализирована базовая экспрессия CREB, который, как уже было установлено, играет роль в памяти. Исследователи также изучили активацию белка Fos во время реактивации памяти и соответствующую роль в непосредственной ранней экспрессии генов и восстановлении повреждений ДНК.
Основываясь на идентификации воспалительной передачи сигналов в этих популяциях нейронов, исследователи дополнительно исследовали, были ли эти воспалительные реакции результатом двухцепочечных разрывов ДНК, вызванных во время обучения, или воспаление играло особую роль в формировании памяти. Учитывая роль TLR9 в этих воспалительных реакциях, они провели эксперименты по нокауту TLR9 в конкретных нейронах, чтобы определить, как это влияет на формирование памяти.
Кроме того, было проведено секвенирование одиночной ядерной РНК, чтобы охарактеризовать изменения экспрессии генов в популяциях нейрональных и ненейрональных клеток гиппокампа из-за влияния контекстуального кондиционирования страха и нейрон-специфического нокаута TLR9. Исследователи также изучили вклад проникновения иммунных клеток и бесклеточной ДНК из крови в формирование памяти и активацию передачи сигналов TLR9.
Полученные результаты
Исследование показало, что обучение и формирование памяти связаны с разрывами ядерной оболочки, выбросом гистонов в перинуклеарную область и стойкими разрывами двухцепочечной ДНК в кластерах нейронов в области Cornu Ammonis 1 (CA1) гиппокампа. Более того, эти повреждения двухцепочечной ДНК и ядерной оболочки сопровождались активацией передачи сигнала TLR9, возникающей воспалительной реакцией и накоплением центросомальных комплексов для восстановления поврежденной двухцепочечной ДНК.
Роль воспалительных реакций, связанных с TLR9, в установлении памяти, индуцированной обучением, была подтверждена, когда нокаут TLR9 в определенных нейронах приводил к нарушениям памяти и притуплению изменений экспрессии генов, связанных с контекстуальным обусловливанием страха. Также было обнаружено, что TLR9 играет важную роль в формировании повреждений ДНК, восстановлении центросомных комплексов, цилиогенезе и построении перинейрональных сетей.
Результаты показали, что стимулы, связанные с обучением, запускают каскад молекулярных событий, которые включают повреждение двухцепочечной ДНК и восстановление ДНК, опосредованное TLR9 в определенных кластерах нейронов в гиппокампе, которые рекрутируют эти нейроны для формирования памяти. Исследователи также предположили, что когда функция TLR9 нарушена, ошибки в этом фундаментальном механизме могут привести к когнитивным нарушениям, психическим расстройствам, ускорению старения и нейродегенеративным расстройствам.
Выводы
Подводя итог, исследование показало, что стимулы, связанные с обучением, запускают каскад повреждений ДНК и TLR9-опосредованную репарацию ДНК, которая заставляет кластеры нейронов гиппокампа формировать память. Воспалительные реакции, опосредованные TLR9, играют жизненно важную роль в формировании памяти, а нарушения функции TLR9 могут быть связаны с когнитивными, нейродегенеративными и психиатрическими расстройствами.
Ссылка на журнал:
- Йовашевич, В., Вуд, Э.М., Чикварик, А., Чжан, Х., Петрович, З., Карбончино, А.,… Радулович, Дж. (2024). Формирование сборок памяти посредством ДНК-чувствительного пути TLR9. Природа. DOI: 10.1038/s41586024072207,
2024-04-01 00:11:00
1711931929
#Исследование #показало #что #процесс #восстановления #ДНК #является #ключом #формированию #памяти
