26.06.2019
PL EN
09.03.2013 aktualizacja 09.03.2013

Neurony mogą pamiętać, bo przesuwają swoje geny w przestrzeni

Nieznany dotychczas mechanizm powstawania śladów pamięciowych odkryli badacze z warszawskiego Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN. Okazuje się, że w niektórych wypadkach neurony mogą zapamiętywać dzięki zmianom w ułożeniu DNA.

Badacze z warszawskiego instytutu udowodnili, że podczas pobudzania neuronów - komórek układu nerwowego - dochodzi do trwałych zmian w rozmieszczeniu genów w przestrzeni jądra komórkowego. Odkrycie ma istotne znaczenie dla lepszego rozumienia natury procesów umysłowych i schorzeń układu nerwowego, zwłaszcza mózgu. O badaniach, opublikowanych w prestiżowym czasopiśmie „Journal of Neuroscience”, poinformowali przedstawiciele Instytutu Nenckiego w przesłanym PAP komunikacie.

"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 dr hab. 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 poszczególnych neuronów.

Jak przypominają przedstawiciele Instytutu Nenckiego, geny to odcinki łańcucha DNA kodujące określone białka. Jednak gen nie zawsze jest aktywny - za jego ekspresję odpowiada m.in. środowisko wewnątrz komórki. W znajdującej się tam chromatynie (niciach DNA wraz z białkami) 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" - wyjaśniają naukowcy z Nenckiego.

Jak tłumaczą, 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. Wystarczy jednak niewielkie przesunięcie łańcucha DNA w którejś z domen, by ekspresja genów się zmieniła.

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.

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 we współpracy z grupą prof. Marka Świtońskiego z Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu oraz z prof. Marion Cremer z Monachium obserwowali dwa geny, oznaczyli ich położenie w łańcuchach DNA za pomocą substancji świecącej po wzbudzeniu światłem lasera. Naukowcy zanalizowali preparaty zarówno z neuronami szczurów kontrolnych, jak i szczurów po atakach padaczkowych.

Zbadano ponad 5 tys. jąder komórkowych i wyznaczono położenia obu śledzonych genów w stosunku do środków jąder i względem otoczki jądrowej. Dla jednego z obserwowanych genów (BDNF) zaobserwowano zmianę położenia o kilkaset nanometrów (miliardowych części metra), przy czym u zwierząt kontrolnych gen występował przy otoczce lub na niej w połowie 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.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ agt/

Copyright © Fundacja PAP 2019