И включаем, и выключаем. Метилирование ДНК, гены и пластичность.
Перевод новостной заметки с schizophreniaforum.org:
On Again, Off Again-DNA Methylation, Genes, and Plasticity
22 Марта 2007 года. Подавление экспрессии генов посредством метилирования ДНК обеспечивает передачу паттернов генетической активности следующему клеточному поколению при митозе. Но две недавно вышедшие статьи поддерживают идею о связи процессов метилирования ДНК в терминально дифференцированных клетках с синаптической пластичностью и формированием памяти. Авторы Кортни Миллер и Дэвит Свит из Университета Алабамы, штат Бирмингем, сообщают в номере журнала «Нейрон» от 15 марта о том, что активность ДНК-метилазы резко возрастает у животных при запоминании новой информации и что это приводит к снижению экспрессии генов, подавляющих процессы памяти. Они также сообщают, что активация гена протеина рилин, который способствует перестройке синаптических связей, а также связан с патологическими процессами при шизофрении, усиливается при формировании памяти, причем усиливает ее не кто иной как деметилазы - энзимы, освобождающие ДНК от метильных групп. Эти находки позволяют предположить, что метилирование и деметилирование играют ключевую роль в процессах запоминания и хранения информации. Подобная идея поддерживается данными группы Эрминио Коста из Университета города Иллинойс, штат Чикаго. Они обнаружили, что деметилирование генов рилина и еще одного белка, глутаматдекарбоксилазы весом 67 kDa, может быть вызвано у мышей применением небольших молекул, вмешивающихся в процессы упаковки ДНК в ядре. Данная находка опубликована в онлайновом выпуске PNAS от 11 марта. Оба новых исследования способны не только изменить наше представление о формировании памяти, они говорят о том, что считавшийся некогда перманентным процесс метилирования ДНК в нейронах является динамическим и может быть использован в целях терапии.
Метилирование и память.
Идея о связи памяти с ковалентной модификацией хроматиновой структуры ДНК не нова. Было известно, что синаптическая передача сигналов связана с ацетилированием гистонов, образующих скелет, на который плотно навивается молекула ДНК. Свит с коллегами уже демонстрировали вызываемое активацией NMDA рецепторов ацетилирование гистона H3 (Levenson et al., 2004). Ацетилирование ведет к ослаблению сродства гистонов нуклеиновым кислотам и открывает доступ к ДНК другим белкам, в том числе и тем, что связаны с активацией генов. Действительно, гистон-ацетилтрансферазная (HAT) активность CREB-связывающего белка (CREBBP), ключевого транскрипционного фактора нейронов, увязывалась с воздействием данного протеина на запоминание информации (см. новостную заметку SRF на эту тему). Также было известно об усилении долговременной памяти при использовании ингибиторов гистон-дезацетилаз, приводящему к ускоренному ацетилированию гистонов.
Миллер и Свит задались вопросом - если гистон-зависимое подавление экспрессии генов может играть роль в регулировке процессов памяти, не приведет ли метилирование ДНК к подобному эффекту? Хотя метилирование ДНК в целом рассматривалось как механизм поддержания паттернов активности генов при прохождении митоза и при развитии, отмечалась высокая активность метилаз во взрослом мозге млекопитающих, несмотря на то, что большинство клеток мозга являются неделящимися. И поскольку метилирование ДНК может подавлять экспрессию генов, частично посредством воздействия на дезацетилазы гистонов, нельзя было отвергать возможность связи метилаз с регуляторными процессами в нейронах.
Для проверки специфической роли метилирования в процессах памяти, Свит и коллеги обрабатывали срезы гиппокампа ингибиторами ДНК-метилтрансфераз (DNMT). Они обнаружили, что это предотвращает начало процессов долговременной потенциации - укрепления синаптических связей в ответ на нейронную активность. Долговременная потенциация лежит в основе механизмов памяти и обучения. Ими было также обнаружено то, что ингибиторы снижали степень метилирования ДНК рилина, тем самым демонстрируя обратимость метилирования. Результаты экспериментов были опубликованы в прошлом году (Levenson et al., 2006). На этот раз, Миллер и Свит пошли дальше, решив пронаблюдать за изменениями паттернов метилирования у живых мышей в модели обучения contextual fear conditioning, когда животные учатся ассоциировать определенное местоположение с неприятным стимулом, таким как слабое шоковое воздействие.
Исследователи сообщают, что в гиппокампах мышей мРНК-уровни метилаз DNMT3A и DNMT3B, чьей ролью считается de-novo метилирование, значительно выросли после контекстного обусловливания страха. Более того, поведение мышей, получавших DNMT-ингибиторы, отражало вероятные затруднения процессов обучения. Оказавшись в обстановке, которая должна была вызывать страх, эти мыши замирали гораздо реже контрольных животных.
Как могло метилирование ДНК повлиять на память мышей? ДНК содержит слишком много участков, способных легко подвергаться метилированию, поэтому Миллер со Свитом решили взглянуть прежде всего на метилирование генов, известных своей ролью в процессах запоминания. Сначала они рассмотрели участок подавляющего процессы памяти протеина фосфатазы 1 (PP1). Снижение экспрессии этого гена могло бы усилить память. И действительно, исследователи обнаружили, что спустя 1 час после контекстуального обусловливания страха степень метилирования промоторов PP1 выросла более чем в 100 раз и мРНК уровни PP1 в регионе гиппокампа CA1 претерпели слабое, но статистически значимое снижение. Данный эффект проявлялся в мозгу животных лишь при сочетании новизны контекста и слабого шокового воздействия на лапки. Поодиночке эти стимулы не оказывали никакого воздействия на метилирование, следовательно, метилирование гена PP1 происходит только при настоящем обучении. Что интересно, ингибиторы DNMT значительно увеличили процент неметилированных промоторов PP1, что говорит о равной важности как метилирования, так и деметилирования в регуляции процессов памяти.
Для оценки роли деметилирования, Миллер и Свит измерили воздействие обучающей задачи на ДНК рилина. Они обнаружили, что через час после выполнения задачи, метилирование промотора рилина уменьшилось, а уровни мРНК рилина выросли почти вдвое. Ингибиторы DNMT привели к еще более сильному деметилированию ДНК рилина. Хотя принято считать, что метилирование участков ДНК в общем является постоянным, приведенные исследования говорят о том, что в по крайней мере в нейронах этот процесс является более динамичным.
Роль гистонов.
Во второй рассматриваемой нами статье, Эрминио Коста и коллеги описывают несколько отличный подход к изучению деметилирования гена рилина. Они исследовали подавление экспрессии рилина и GAD67 у мышей, вызванное хроническим приемом метионина, донора метильных групп. Подавление экспрессии этих двух генов в данных условиях объясняется усиленным метилированием, которое ведет к активации дезацетилаз гистонов (HDACs), которые в свою очередь повышают сродство гистонов к ДНК и предотвращают его связь с белками, необходимыми для инициации транскрипции. Первый автор статьи Эрбо Донь и его коллеги заинтересовались, что случится, если они предотвратят деацетилирование гистонов.
Неделю кормив мышей метионином, Донь с коллегами дали животным ингибиторы HDAC и изучили полученный паттерн метилирования ДНК. Исследователи обнаружили, что в присутствии ингибиторов деметилирование двух генов ускорилось, судя по снижению числа промоторов, иммунопреципитировавших совместно с MeCP2 - белком, который связывается с метилированными участками ДНК. Исследователи предполагают, что быстрое деметилирование могло быть как результатом ингибирования метилазы, так и следствием предположительной активности деметилазы, но они склоняются к последнему варианту, потому что ингибитор DNMT не оказал влияния на степень деметилирования.
В сумме, эти находки указывают на существование динамического процесса метилирования\деметилирования, связанного с синаптической пластичностью и формированием памяти. «Неизвестный на данный момент сигнальный путь ведет к клеточному ядру и активирует деметилазы и ДНК-метилтрансферазы. В результате происходит деметилирование позитивных регуляторов памяти, таких как рилин. Гистон-ацетилтрансферазы получают возможность ацетилировать деметилированные гены, высвобождая их из плена транскрипционного подавления, вызванного метилированием. Это вызывает транскрипционную активацию гена рилина и, вероятно, других генов, активирующих процессы памяти. Одновременно, ДНК-метилтрансферазы воздействуют на негативные регуляторы памяти, такие как PP1, с целью их транскрипционного подавления,» - пишут Миллер и Свит.
Этот новый регуляторный механизм, пусть пока малопонятый, может дать улики в поиске причин различных неврологических и психиатрических заболеваний, таких как синдром ломкой X-хромосомы, синдром Ретта, и аутизм, связь которых с метилированием ДНК уже предполагалась. Он также может открыть новые пути исследования механизмов шизофрении, при которой существуют некоторые свидетельства усиленной активности метилаз, повышенного метилирования промоторов рилина и GAD67, и снижения количества этих двух белков в префронтальной коре больных (Guidotti et al., 2000; Grayson et al., 2006). Улучшенное понимание динамики процессов метилирования и деметилирования может привести к новым методам терапии, наподобие предложенных недавно Джонатаном Ливенсоном (Levenson, 2007). ---- Том Фаган.
Ссылки на статьи:
Miller CA, Sweatt JD. Covalent modification of DNA regulates memory formation. Neuron. 2007, March 15;53:857-869. Abstract
Dong E, Guidotti A, Grayson DR, Costa E. Histone hyperacetylation induces demethylation of reelin and 67-kDa glutamic acid decarboxylase promoters. PNAS. 2007, March 13;104:4676-468. Abstract; free fulltext.