Факторы Яманаки «омолодили» память пожилых мышей

Память и воспоминания связаны с функцией энграмм — ансамблей нейронов, которые активируются во время обучения и реактивируются при припоминании. Их работа требует синаптической пластичности, а многие клеточные процессы, нарушаются при старении и при такой форме нейродегенерации, как болезнь Альцгеймера (БА). Это приводит к ухудшению памяти. Ученые из Швейцарии выяснили, что частичное перепрограммирование нейронов энграмм за счет экспрессии в них факторов Яманаки восстанавливает память у пожилых мышей и мышей с БА. 

Частичное репрограммирование клеток — перспективная стратегия для восстановления их функций, и исследователи задались целью проверить, улучшит ли она когнитивные функции при физиологическом старении. Они экспрессировали в зубчатой извилине гиппокампа мышей три из четырех факторов Яманаки (Oct4, Sox2 и Klf4, далее комбинация обозначена как OSK) в доксициклинзависимой системе: отмена доксициклина запускала экспрессию OSK. Чтобы пометить энграммы, в них экспрессировали GFP под контролем доксициклина и c-Fos — в такой системе метка синтезировалась одновременно с OSK и только в активирующихся нейронах. 

Опыты проводили на пожилых (9-10 месяцев) мышах, а в качестве контроля использовали животных возрастом 2-3 месяца. Авторы отменяли доксициклин на время обучения в парадигме контекстного обусловливания страха, а сразу после обучения вводили его повторно. Анализ РНК, проведенный через 90 минут после этого, подтвердил экспрессию OSK в активировавшихся при обучении ансамблях нейронов гиппокампа.

Затем ученые оценили влияние перепрограммирования, опосредованного OSK, на память мышей. Через два дня после обучения животных помещали в тот же контекст и отслеживали их поведение. Пожилые мыши из группы контроля замирали меньше, чем молодые мыши — это свидетельствует о возрастном нарушении памяти и забывании страха. Уже было показано, что такой поведенческий фенотип связан со сниженной реактивацией энграмм. Реакция пожилых мышей, в гиппокампе которых экспрессировали OSK, была такой же, как у молодых животных, то есть их память восстанавливалась.

Оценив экспрессию Klf4 и GFP в нейронах, чтобы выявить репрограммированные и не репрограммированные энграммы, ученые обнаружили, что реактивировались преимущественно те, которые подверглись репрограммированию (Klf4⁺). При этом утраты клеточной идентичности не происходило — в репрограммированных нейронах сохранялась экспрессия Prox1, маркера гранулярных нейронов зубчатой извилины гиппокампа. 

Сможет ли частичное репрограммирование энграмм восстановить память, нарушенную при болезни Альцгеймера? Чтобы проверить это, ученые провели опыты на мышах APP/PS1 — распространенной модели БА. Когнитивные нарушения у таких мышей проявляются со среднего возраста, однако не затрагивают память, связанную со страхом. Поэтому память животных оценивали в опытах с водным лабиринтом. 

Контрольным мышам с БА требовалось дольше времени на то, чтобы отыскать платформу под водой — они хуже запоминали ее расположение. Напротив, мыши APP/PS1, в гиппокампе которых экспрессировали OSK, не проявляли такого нарушения памяти. По-видимому, пространственное обучение также можно восстановить с помощью частичного репрограммирования энграмм. 

Чтобы выявить молекулярные механизмы, которые обеспечивают такое улучшение памяти, ученые проанализировали экспрессию генов и доступность хроматина в отдельных ядрах клеток энграммы. Они обнаружили, что в клетках, экспрессирующих OSK, менее выражены молекулярные признаки БА, такие как сниженная активность генов синаптической пластичности.

Кроме того, изменения наблюдались на электрофизиологическом уровне — частичное перепрограммирование, опосредованное OSK, смягчало гипервозбудимость клеток энграммы, характерную для БА. 

Таким образом, частичное перепрограммирование энграммных клеток за счет экспрессии в них факторов Яманаки Oct4, Sox2 и Klf4, приводит к когнитивному «омоложению» и способствует восстановлению памяти в двух различных мышиных моделях. 


Когнитивные способности у мышей зависят от экспрессии митохондриальных генов