Выбор нейронов для записи воспоминания определяется эпигенетически

Энграмма, или след памяти (memory trace) — структурные и функциональные изменения нейронов, которые происходят при формировании памяти. В формирование энграммы вовлекается лишь малая часть внешне идентичных нейронов. Механизм, определяющий выбор нейронов для записи того или иного воспоминания, до сих пор неизвестен. Исследователи предполагают, что, вероятно, более возбудимые нейроны быстрее реагируют на стимул и вовлекаются в процесс формирования памяти. Однако эта теория не учитывает внутреннюю морфологию самого нейрона и возможную роль эпигенетической регуляции в его развитии. Ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны исследовали, способна ли эпигенетика повлиять на этот процесс.

Хроматин в ядре клетки может находиться в двух состояниях: открытом (эухроматин), то есть доступном для различных транскрпиционных факторов и регуляторов, и закрытом, компактном (гетерохроматин); такой хроматин не участвует в транскрипции. Состояние хроматина, в свою очередь, зависит от эпигенетических меток. Ацетилирование гистонов приводит к открытию хроматина и активации генов, тогда как метилирование обычно является меткой неактивного, то есть закрытого хроматина. Швейцарские ученые показали в экспериментах на мышах, что нейроны с более открытым состоянием хроматина с большей вероятностью рекрутируются в след памяти и демонстрируют более высокую электрическую активность.

Исследователи сосредоточились на латеральной миндалине (LA) мыши — участке мозга, демонстрирующем высокую синаптическую пластичность во время павловского кондиционирования страха. Это метод обучения, при котором неприятный стимул (например, электрический шок) ассоциируется с нейтральным контекстом (определенное помещение) или стимулом (например, звук). В итоге нейтральный стимул или контекст вызывают страх.

Методом иммуногистохимии исследователи оценили в нейронах CaMKIIa, основной клеточной популяции в LA, содержание гетерохроматинового белка-1 (HP1-b), который способствует транскрипционному «молчанию» гетерохроматина. Клетки LA демонстрировали широкий диапазон уровней HP1-b, что указывало на гетерогенность в упаковке хроматина. Более того, содержание HP1-b значительно снижалось через час после аудиального (звукового) кондиционирования страха. Следовательно, «обучение страху» вызывает перестройку хроматина и делает его более открытым.

Затем ученые исследовали ацетилирование гистонов, а именно гистона 3 по лизину 27 (H3K27Ac) и гистона 4 по лизину 5 (H4K5Ac). Обе эти модификации индуцируются активацией нейронов и участвуют в формировании памяти. Ацетилирование гистонов в нейронах LA также было гетерогенным, однако, в отличие от HP1-b, звуковое кондиционирование страха не изменяло общее распределение уровней H3K27Ac и H4K5Ac. При этом нейроны, экспрессирующие cFos — маркер активности (и потенциального включения в энграмму) — были обогащены H3K27Ac, но не H4K5Ac.

Ацетилирование гистонов регулируется противоположным действием деацетилаз гистонов (HDAC) и ацетилтрансфераз гистонов (HAT). Чтобы проверить, могут ли нейроны LA, обогащенные H3K27Ac, быть предрасположены к формированию следов памяти, ученые доставляли в клетки эти ферменты с помощью лентивирусных векторов. Гиперэкспрессия НАТ повышала уровень H3K27Ac через час после звукового кондиционирования страха; он повысился и в контрольной группе — у мышей, остававшейся в обычных условиях. Однако только в группе после кондиционирования нейроны, экспрессирующие cFos, рекрутировались преимущественно из нейронов с повышенной активностью ацетилтрансферазы. Гиперэкспрессия HDAC2 не оказывала влияния на активацию нейронов и их вовлечение в запоминание.

Исследование дифференциальной экспрессии генов показало, что действие HAT затрагивает участки, тесно связанные со структурной и синаптической функцией, возбудимостью нейронов и импульсами. Это подтверждает, что повышенное ацетилирование гистонов может способствовать формированию следа памяти. Авторы также напрямую показали, что гиперэкспрессия НАТ увеличивает возбудимость нейронов и ремоделирование синапсов.

Наконец, исследователи провели эксперименты in vivo. Чтобы выяснить, несут ли нейроны с гиперэкспрессией HAT ответственность за улучшенное запоминание, мышам вводили в LA лентивирусные векторы, которые обеспечивали гиперэкспрессию. У таких мышей реакция на пугающий стимул была сильнее, чем у контролей, причем различие сохранялось даже восемь дней спустя. Затем, чтобы окончательно подтвердить причинно-следственную связь, ученые разработали другую вирусную систему, которая позволила оптогенетически ингибировать нейроны с гиперэкспрессией гистоновой ацетилтрансферазы. В этом случае вирусные векторы несли ген фермента и ген археородопсина ArchT. Мышам вводили эти вирусы, имплантировали оптические волокна, чтобы с помощью света избирательно «выключать» активность нейронов с внедренными генами. Через 11 дней животные проходили тот же протокол звукового кондиционирования страха. У мышей с гиперэкспрессией HAT признаки страха по-прежнему были более выраженными. Однако оптогенетическое ингибирование нейронов с гиперэкспрессией подавляло пугающие воспоминания.

Таким образом, вовлечение нейронов в кодирование памяти зависит от их эпигенетического состояния и регулируется ацетилированием гистонов. Как отмечает руководитель работы Йоханнес Графф, результаты этой работы «по-новому акцентируют внимание [исследователей обучения и памяти] на том, что происходит внутри ядра нейрона, на его ДНК. Это особенно важно, поскольку многие когнитивные расстройства, такие как болезнь Альцгеймера и посттравматическое стрессовое расстройство, характеризуются нарушением эпигенетических механизмов».

Эпигенетический «тормоз» развития нейронов можно отключить