W Instytucie Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego Polskiej Akademii Nauk odkryto nieznany dotychczas mechanizm powstawania śladów pamięciowych. Okazuje się, że przynajmniej o niektórych zdarzeniach neurony pamiętają dzięki... geometrii.
Neurony to najważniejsze komórki układu nerwowego. Badacze z Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego Polskiej Akademii Nauk w Warszawie udowodnili, że podczas pobudzania neuronów dochodzi do trwałych zmian w rozmieszczeniu genów w przestrzeni jądra komórkowego. Odkrycie, opisane w „Journal of Neuroscience”, jednym z najbardziej prestiżowych czasopism neurobiologicznych, ma istotne znaczenie dla lepszego rozumienia natury procesów umysłowych i schorzeń układu nerwowego, zwłaszcza mózgu.
„Podczas badań na szczurach po atakach epilepsji zaobserwowaliśmy, że jeden z genów może się trwale przesunąć w głąb jąder komórkowych neuronów. Ponieważ modyfikacja geometrycznej budowy jądra prowadzi do zmiany w ekspresji genów, neuron w ten sposób pamięta, co się wydarzyło”, wyjaśnia prof. nadzw. Grzegorz Wilczyński z Pracowni Neuromorfologii Instytutu Nenckiego.
Neurony łączą się ze sobą synapsami, tworząc rozbudowane sieci. Aby w sieciach neuronowych powstawały ślady po bodźcach wywołujących pobudzenie, musi dochodzić do zmian kształtu i funkcjonowania poszczególnych synaps. Jeśli ślad po bodźcu ma być trwały, niezbędne są zmiany w ekspresji wielu genów znajdujących się w jądrach komórkowych poszczególnych neuronów.
Geny to odcinki łańcucha kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) kodujące określone białka. Jednak obecność genu w DNA nie oznacza, że będzie on automatycznie aktywny. Od kilkunastu lat wiadomo, że za ekspresję genów odpowiada także środowisko wewnątrz komórki. W znajdującej się tam chromatynie występują bowiem substancje aktywujące lub blokujące geny.
„Sytuacja przypomina trochę relacje między ludźmi. Człowiek może być obecny na spotkaniu wielu osób, ale jego głos będzie miał różne znaczenie w zależności od środowiska. Jeśli środowisko jest przychylne, głos zostanie podchwycony i wzmocniony, społeczeństwo zauważy efekt. Jeśli środowisko będzie niechętne, głos zostanie stłumiony”, opisuje prof. Wilczyński.
W przypadku neuronów procesy epigenetyczne – a więc takie, w których o ekspresji genu decyduje otoczenie – wiązano do tej pory tylko z reakcjami chemicznymi w chromatynie. Badania w Instytucie Nenckiego pokazują jednak, że w neuronach mamy do czynienia z kolejnym rodzajem efektów epigenetycznych: zmianami w przestrzennej budowie jądra komórkowego, prowadzącymi do powstawania trwałych śladów pamięciowych. Jest to możliwe z dwóch powodów. Pierwszy wynika z obecności otoczki jądrowej: geny mogą się do niej przyczepiać lub od niej odczepiać, co wpływa na ich ekspresję. Drugi powód jest związany ze specyficzną budową jądra komórkowego.
Jądro komórkowe składa się z wielu globul, zwanych domenami lub terytoriami chromosomowymi. Każdą domenę wypełnia tylko jeden chromosom, który może się nieznacznie przemieszczać w ramach swojego terytorium. Wskutek tych ruchów w punktach styku sąsiednich domen mogą się spotkać fragmenty łańcuchów DNA z różnymi genami. Dochodzi wtedy albo do wyciszenia grupy genów, albo do ich ekspresji – czyli do powstania fabryki transkrypcyjnej. Wystarczy jednak niewielkie przesunięcie łańcucha DNA w którejś z domen, by sytuacja się zmieniła: wyciszona grupa genów wznowi pracę lub fabryka przestanie funkcjonować.
Zmiany przestrzennego położenia genów w jądrze komórkowym obserwowano już wcześniej w niektórych typach komórek, m.in. w komórkach nabłonkowych. Teraz w Instytucie Nenckiego wykazano, że pod wpływem bodźców zewnętrznych podobne zmiany zachodzą w neuronach. Ponadto naukowcy udowodnili, że zmiany są trwałe i tworzą wyraźny genetyczny ślad pamięciowy w strukturze neuronalnej – mimo braku jakichkolwiek zmian w samych łańcuchach DNA.
W badaniach wykorzystano neurony szczurów po atakach epilepsji, która jest chorobą plastyczności mózgu. Podczas ataku w pobudzonych neuronach dochodzi do burzliwej ekspresji genów. Naukowcy z Instytutu Nenckiego wybrali do obserwacji dwa geny, znane jako BDNF i TRKB. We współpracy z grupą prof. Marka Świtońskiego z Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu oraz z prof. Marion Cremer z Monachium oznaczono ich położenie w łańcuchach DNA za pomocą substancji świecącej po wzbudzeniu światłem lasera. Tak przygotowane preparaty z neuronami szczurów kontrolnych i po atakach padaczkowych były analizowane pod mikroskopem konfokalnym.
„Mikroskop konfokalny rejestruje obrazy tylko w pobliżu płaszczyzny ogniskowania. Dlatego każde zdjęcie jest czymś w rodzaju płaskiego, cienkiego przekroju przez preparat. Żeby z zestawu wielu takich plastrów odtworzyć przestrzenną budowę jąder komórkowych i rozmieszczenie genów, trzeba było napisać specjalny program. Zadanie okazało się jeszcze trudniejsze z uwagi na fakt, że pracowaliśmy na granicy zdolności rozdzielczej mikroskopu”, mówi dr Błażej Ruszczycki z Instytutu Nenckiego.
Oprogramowanie powstawało przez rok. Za jego pomocą zbadano ponad 5000 jąder komórkowych i wyznaczono położenia obu śledzonych genów w stosunku do środków jąder i względem otoczki jądrowej. Dla genu BDNF zaobserwowano zmianę położenia o kilkaset nanometrów (miliardowych części metra), przy czym u zwierząt kontrolnych gen występował przy otoczce lub na niej w 50 proc. jąder komórkowych, podczas gdy dla zwierząt po ataku epilepsji wartość ta spadała do ok. 25 proc.
„Dwukrotny spadek to w biologii bardzo duża zmiana. Stwierdziliśmy ponadto, że pozostaje ona widoczna nawet przez kilka tygodni. Wniosek jest więc jednoznaczny: o tym, co się wydarzyło, neurony pamiętają także dzięki zmianom w architekturze swoich jąder komórkowych”, stwierdza prof. Wilczyński.
Badania sfinansowano z Grantu Polsko-Norweskiego oraz ze środków Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka.MATERIAŁY GRAFICZNE:
Nencki130306b_fot01s.jpg
HR:
http://press.nencki.gov.pl/wp-
poleca:
