Чтобы сохранить воспоминания, нейроны разрывают и восстанавливают свою ДНК

Ли-Хуэй Цай, нейробиолог из Массачусетского технологического института в Кембридже, которая не принимала участия в работе говорит, что формирование воспоминаний — «рискованное дело». Обычно разрывы обеих нитей двойной спирали молекулы ДНК связаны с заболеваниями, включая рак. Но в данном случае цикл повреждения и восстановления ДНК предлагает одно из объяснений того, как могут формироваться и сохраняться воспоминания.

Исследование предполагает неожиданное объяснение нейродегенеративных заболеваний, в том числе болезни Альцгеймера: этот цикл может неправильно работать у таких пациентов. Тогда сама работа по запоминанию вызывает накопление ошибок в ДНК нейронов, говорит соавтор исследования Елена Радулович, нейробиолог из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна. в Нью-Йорке.

Это не первый случай, когда повреждение ДНК нейробиологи связывают с памятью. В 2021 году Цай и ее коллеги показали, что двухцепочечные разрывы ДНК широко распространены в мозге, и связали эти разрывы с процессом обучением.

Чтобы лучше понять роль, которую эти разрывы ДНК играют в формировании памяти, Радулович и ее коллеги научили мышей ассоциировать слабый электрический шок с новой средой, чтобы, когда животных снова поместили в эту среду, они «вспомнили» полученный опыт и у них появились признаки страха. Например, они замерли на месте. Затем исследователи изучили активность генов в нейронах ключевой области мозга — гиппокампа. Они обнаружили, что некоторые гены, ответственные за воспаление, были активны у некоторых нейронов через четыре дня после тренировки. Через три недели после тренировки те же гены были гораздо спокойнее.

Команда определила причину воспаления: это — белок TLR9, который запускает иммунный ответ на фрагментированную ДНК внутри клеток. По словам Радуловича, эта воспалительная реакция аналогична той, которую используют иммунные клетки, когда они защищаются от генетического материала при вторжении патогенов. Однако в этом случае нервные клетки реагировали не на захватчиков, а на собственную ДНК.

TLR9 был наиболее активен в подмножестве нейронов гиппокампа, в которых разрывы ДНК никак не удавалось восстановить. В этих клетках механизм восстановления ДНК накапливается в органелле, называемой центросомой, которая часто связана с клеточным делением и дифференцировкой. Однако зрелые нейроны не делятся, говорит Радулович, поэтому удивительно видеть, что центросомы участвуют в репарации ДНК. Радулович предположила, что воспоминания формируется механизм, аналогичный тому, как иммунные клетки настраиваются на посторонние вещества, с которыми они сталкиваются. Другими словами, во время циклов повреждения и восстановления нейроны могут кодировать информацию о событии формирования того воспоминания, которое вызвало разрывы ДНК.

Когда исследователи удалили у мышей ген, кодирующий белок TLR9, у животных возникли проблемы с формированием долговременных воспоминаний о своих тренировках: они гораздо реже замирали, когда их помещали в ту среду, где их ранее подвергали электрошоку. Эти результаты позволяют предположить, что «мы используем нашу собственную ДНК в качестве сигнальной системы», чтобы «сохранять информацию в течение длительного времени», говорит Радулович.

Как результаты команды соотносятся с другими открытиями о формировании памяти, до сих пор неясно. Ранее в другой работе было показано, что подмножество нейронов гиппокампа, известное как инграмма, играет ключевую роль в формировании памяти. Эти клетки можно рассматривать как физический след воспоминания, и у них активны определенные гены после события обучения. Но группа нейронов, в которых Радулович и ее коллеги наблюдали воспаление, связанное с памятью, в основном отличаются от инграммных нейронов.

Томас Райан, нейробиолог из Тринити-колледжа в Дублине, работавший с инграммами, говорит, что исследование предоставляет «лучшие на данный момент доказательства того, что восстановление ДНК важно для памяти». Но ученый задается вопросом: кодируют ли нейроны что-то отличное от инграммы? По его словам, может так случиться, что повреждение и восстановление ДНК могут быть следствием создания инграммы. «Формирование инграммы — событие настолько мощное, что после него вам придется долго наводить порядок в доме», — говорит он.

Цай надеется, что будущие исследования позволят выяснить, как происходят разрывы двухцепочечной ДНК гиппокампа и происходят ли такие разрывы в других областях мозга.

Клара Ортега де Сан-Луис, нейробиолог, работающая с Райаном в Тринити-колледже Дублина, говорит, что эти результаты привлекают столь необходимое внимание к механизмам формирования и сохранения памяти внутри клеток. «Мы много знаем о связях» между нейронами «и нейронной пластичности, но не так много о том, что происходит внутри нейронов», — говорит она.