Нервные клетки восстанавливают свой геном

Высокофункциональный мозг — важное эволюционное приобретение, однако активность нейронов способствует повреждениям генома. Включение и выключение транскрипции генов, необходимых работающей нервной клетке, делает ее ДНК уязвимой для разрывов. (О том, чем угрожает геному нейронов активность мозга, см. интервью с Варварой Дьяконовой на PCR.NEWS.)

Предполагается, что нейроны приобрели дополнительные механизмы защиты генома, которых нет у других клеток и которые позволяют им десятилетиями выдерживать разрушительные последствия повышенной активности. Исследователи из Гарвардской медицинской школы идентифицировали механизм репарации ДНК, прямо зависящий от активности нервных клеток.

Изначально их внимание привлек транскрипционный фактор NPAS4. Он высокоспецифичен для нейронов, экспрессируется после деполяризации мембраны и регулирует экспрессию генов, в частности, вовлеченных в торможение возбуждающих нейронов.

В новом исследовании авторы установили, что NPAS4 входит в состав огромного комплекса из 21 белка. Его выделили из ткани мозга мышей; для этого создали линии животных с эпитопными метками на интересующих белках. Чтобы повысить экспрессию NPAS4, мышам стимулировали нейроны гиппокампа инъекциями каиновой кислоты, а затем проводили иммуноочистку. После этого масс-спектрометрия показала взаимодействия между NPAS4 и всеми известными субъединицами модификатора хроматина NuA4 (молекулярная масса 1 МДа). Авторы также установили, что NPAS4 и NuA4 совместно локализуются на хроматине и что комплекс NPAS4-NuA4 запускает и координирует экспрессию генов в активированных нейронах.

Затем исследователи определили потенциальные регуляторные участки в геноме нейронов методом секвенирования доступного для транспозазы хроматина (ATAC-seq) и поиска модификации гистона H3K27ac; среди них выявили регуляторные элементы, индуцированные активностью, а также картировали повреждения ДНК в нестимулированных и в стимулированных нейронах. Полученные данные указывали на то, что NPAS4-NuA4 предпочтительно связываются с «горячими точками мутагенеза» — сайтами, в которых накапливаются разрывы, связанные с активностью нейрона, — и среди них много регуляторных элементов.

Далее оказалось, что NPAS4-NuA4 задействует дополнительные механизмы репарации ДНК в систематически повреждаемых участках. В регуляторных элементах, с которыми связывается этот комплекс, накопление мутаций замедлено.

Дефицит NPAS4 или компонентов-NuA4 приводит к увеличению количества двухцепочечных разрывов и каскаду клеточных дефектов. Наблюдаются зависимые от активности нерегулируемые транскрипционные ответы, потеря контроля над деактивацией нейронов, нестабильность генома. Очевидно, все эти факторы сокращают жизнь мышей с нарушенной функцией NPAS4-NuA4. В других исследованиях было установлено, что мутации в некоторых компонентах комплекса NuA4 связаны с нарушениями развития нервной системы и расстройствами аутистического спектра.

Таким образом, ученые из Гарварда обнаружили специфический для нейронов комплекс, который связывает активность нейронов с механизмами починки генома: «Все эти данные повышают вероятность того, что защитная роль NPAS4-NuA4 в облегчении репарации двухцепочечных разрывов помогает обеспечить долгосрочную точность транскрипционных ответов на стимуляцию и надлежащий ингибирующий контроль в головном мозге, что может иметь решающее значение для нормальной продолжительности жизни». Напротив, повреждения этого комплекса могут способствовать нарушениям развития, нейродегенерации и старению.

В дальнейшем авторы планируют сравнить работу этого механизма у долгоживущих и короткоживущих видов животных, а также продолжить поиск новых механизмов репарации в нейронах и других клетках.

В регуляторных областях нейронов накапливаются вставки и делеции