Во время миграции в нейронах возникают и исчезают разрывы ДНК

Способность к регенерации у нейронов ограничена, поэтому на первое место выходит вопрос поддержания их геномной стабильности. Тем временем на эти клетки постоянно действуют факторы, повреждающие ДНК: окислительный стресс, транскрипционная активность, радиация, токсины из окружающей среды.

В ходе развития мозга нейроны мигрируют, при этом им необходимо протискиваться мимо других клеток и внеклеточного матрикса, а ведь нейроны чувствительны к механическому стрессу. Ранее на раковых и иммунных клетках было показано, что деформация ядра может привести к разрыву ядерной оболочки и повреждению ДНК. На нейронах этот процесс не был изучен до этого исследования, опубликованного в Nature.

Гранулярные нейроны мозжечка мигрируют от места появления во внутренний зернистый слой во время первых трех недель после рождения мыши. Ядро при этом часто переворачивается и деформируется. Авторы проанализировали повреждения ДНК в нейронах коры мозжечка на шестой день после рождения мыши, изучив маркер двухцепочечных разрывов γH2AX, маркер пролиферации Ki-67 и маркер дифференцированных нейронов p27^Kip1. У многих нейронов обнаруживался маркер γH2AX.

Уровни γH2AX зависели от области мозга и возраста мыши. По-видимому, нейроны приобретают разрывы ДНК в ходе миграции. К 30-му дню маркер двухцепочечных разрывов больше не определялся. Образование разрывов под действием механического стресса при миграции нейронов показали также на клетках в субстрате с узкими канальцами.

Дальнейшие исследования продемонстрировали, что двухцепочечные разрывы возникают и чинятся, не вызывая апоптоза. Также эти процессы не зависели от нарушения целостности ядерной оболочки. Вероятно, разрывы возникают из-за увеличения торсионной деформации генома во время репликации. Такой стресс в клетке обычно снимает топоизомераза II (TOP2). Действительно, в мигрирующих нейронах TOP2β экспрессировалась на высоком уроне. Но, по-видимому, топоизомераза не могла предотвратить деформацию генома и появление разрывов.

Репарация двухцепочечных разрывов происходит за счет негомологичного соединения концов. Потеря основной лигазы этого метода репарации — LIG4 — не повлияла на количество γH2AX-положительных клеток через 6 и 12 часов миграции, но через 36 часов γH2AX-метки не исчезали. У мышей удалили LIG4 в нейронах уже после завершения их миграции. У них не было γH2AX-меток до трех месяцев, после чего их количество нарастало с возрастом. Но если удалить LIG4 до миграции нейронов, γH2AX-меток будет намного больше.

Затем авторы проанализировали доступность хроматина (ATAC-seq), модификации хроматина (H3K4me3 и H3K9me3 с помощью ChIP–seq) и трансляционную активность (РНК-секвенирование) нейронов и проверили, в каких областях генома чаще всего возникали разрывы. Оказалось, что в гетерохроматине, особенно в области, связанной с пластинкой. Разрывы часто перекрывались с повторами, ретротранспазонами. Очень редко двухцепочечные разрывы возникали в теле гена, независимо от его транскрипционной активности.

РНК-секвенирование лизатов мозжечка провели у мышей с делецией LIG4 в нейронах в возрасте двух месяцев. Всего выявили 336 дифференциально экспрессируемых генов. Снизилась экспрессия генов, связанных с дифференцировкой нейронов и функцией синапсов, выросла — связанных с ответом на стресс и иммунным ответом. Не было признаков активации микроглии (индикатор нейровоспаления).

Сначала мыши без лигазы в нейронах развивались нормально, но со временем у них проявлялись легкая двигательная дискоординация, изменение походки и ухудшение чувства равновесия, которые нарастали с возрастом. Это напоминает симптомы, наблюдаемые при некоторых заболеваниях человека, связанных с нестабильностью генома и поражающих мозжечок.

По мнению авторов, разрывы и восстановление ДНК могут играть более важную роль в биологии мозга, чем считалось ранее. Теперь они хотят понять, влияют ли эти ранние изменения ДНК на развитие нейродегенеративных заболеваний в более позднем возрасте.

Для запоминания мышам необходимы воспаление и разрывы ДНК в нейронах