Помнить все

Исследования последних лет показали важную роль метилирования ДНК в работе нервной системы. Метилирование ДНК — это эпигенетическая модификация ДНК путем присоединения метильных групп к цитозину. Этот процесс контролируется ферментами — ДНК-метилтрансферазами. Метилирование ДНК занимает важное место среди механизмов регуляции экспрессии генов. Количество метильных групп определяет, насколько активно будет происходить транскрипция (то есть насколько активен будет ген): чем выше уровень метилирования, тем ниже уровень транскрипции (что соответствует понижению или отсутствию активности гена).

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

В лаборатории клеточной нейробиологии обучения Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН впервые получены важные данные о влиянии метилирования ДНК на долговременную синаптическую пластичность (механизм, опосредующий долговременную память) у брюхоногого моллюска. Были изучены эффекты блокатора ДНК-метилтрансфераз RG108 на индукцию и поддержание долговременной (часы) потенциации. В экспериментальной группе на фоне блокады активности ДНК-метилтрансфераз наблюдалось достоверное ухудшение уровня потенциации синаптических ответов. Полученные данные позволяют предположить, что активность ДНК-метилтрансфераз необходима для поддержания определенного уровня метилирования ДНК (торможения активности генов) для формирования и поддержания долговременной синаптической пластичности.

Не менее важна другая эпигенетическая модификация — ацетилирование ядерных белков (гистонов). Баланс между уровнем ацетилирования / деацетилирования поддерживают ферменты гистонацетилтрансферазы и гистондеацетилазы соответственно. При этом значительное увеличение ацетилирования гистонов способно улучшить синаптическую пластичность. В нашем эксперименте при совместном применении блокатора ДНК-метилтрансфераз RG108 и блокаторов гистондеацетилаз (бутирата натрия или трихостатина А) дефицит долговременной потенциации был компенсирован.

Таким образом, помимо того факта, что полученные данные подчеркивают роль метилирования ДНК и ацетилирования гистонов как важных эпигенетических механизмов регуляции синаптической пластичности, они также подтверждают идею о том, что метилирование ДНК и ацетилирование гистонов могут влиять друг на друга, регулируя долговременную синаптическую пластичность.

Исследование выполнено в рамках крупного научного проекта «Применение современных нейротехнологий для исследования механизмов регуляции и компенсации патологий возбудимости нервной системы» при поддержке Минобрнауки России и опубликовано в рецензируемом научном издании Cells.

Алена Зюзина, первый автор исследования, сотрудник лаборатории клеточной нейробиологии обучения Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, ответила на вопросы «Ъ-Науки»:

— Что такое метилирование ДНК? Как именно оно влияет на экспрессию генов?

— Метилирование ДНК — это своего рода химическая метка, которая добавляется к ДНК, обычно к основанию цитозина, в процессе образования связи между молекулами ДНК и метильной группой, называемом «метилирование». Эта метка может действовать как переключатель для включения или выключения генов без изменения самой последовательности ДНК. Когда ген метилирован, добавленная метка может препятствовать его «считыванию» (экспрессии). С другой стороны, если ген не метилирован, он, скорее всего, будет активен и экспрессироваться, а это означает, что клетка может следовать инструкциям, записанным в этой части ДНК.

Таким образом, метилирование ДНК влияет на экспрессию генов, регулируя, какие гены активны, а какие молчат, и играет важную роль во всем: от развития до того, как наш организм реагирует на окружающую среду.

— Чем отличается метилирование ДНК у растений, животных и человека?

— Закономерности и функциональные роли метилирования ДНК различаются в некоторых деталях у растений, животных и человека.

Метилирование ДНК в растениях в основном происходит в контексте последовательностей молекул, образующих ДНК,— CG, CHG и CHH (где H — это аденин, тимин или цитозин). По сути, у растений более широкий спектр мест метилирования, что способствует расширению спектра регуляция экспрессии генов в процессе развития. Метилирование ДНК растений также участвует в контроле реакций на воздействие окружающей среды, таких как засуха или воздействие патогенных микроорганизмов, которые в некоторых случаях могут передаваться из поколения в поколение (эпигенетическое наследование).

Механизмы метилирования ДНК у животных и человека очень схожи. У животных (включая человека) метилирование преимущественно обнаруживается в CpG-участках ДНК (цитозин, за которым следует гуанин), особенно в областях ДНК, которые важны для регуляции экспрессии генов. Определенные паттерны метилирования ДНК специфичны для контроля экспрессии генов в процессе развития, дифференцировки тканей и поддержания клеточной идентичности. Аномальные паттерны метилирования могут способствовать развитию таких заболеваний, как рак, при котором из-за изменений в метилировании ДНК может происходить отключение генов-ингибиторов опухоли или активация онкогенов.

У людей показано, что метилирование ДНК играет важную роль в инактивации X-гена у женщин, нарушениях импринтинга (когда экспрессируется только один аллель гена в зависимости от его родительского происхождения) и старении.

Таким образом, растения демонстрируют более широкий спектр паттернов метилирования (CG, CHG, CHH), в то время как у животных и человека метилирование в основном происходит в строго определенных CpG-участках. Эпигенетическая регуляция у растений может быть более гибкой с точки зрения того, как они реагируют на изменения окружающей среды, в то время как животные (и люди) в большей степени зависят от метилирования в развитии и поддержания стабильности работы клеток.

— Почему ученые выбрали для наблюдения и экспериментов именно брюхоногого моллюска?

— Брюхоногие моллюски, такие как наземные улитки, являются интересным модельным организмом для изучения метилирования ДНК по нескольким причинам. Эволюционное значение: брюхоногие моллюски представляют собой ранние формы жизни. Изучение метилирования их ДНК помогает ученым понять, как эволюционировали эпигенетические механизмы у животных и разнообразие паттернов метилирования в различных эволюционных линиях. Уникальная биология: брюхоногие моллюски обладают относительно простой нервной системой, а некоторые виды демонстрируют интересные виды пластичности в поведении и развитии. Это делает их хорошей моделью для изучения того, как метилирование ДНК может влиять на обучение, память и другие сложные формы поведения. Сохранение механизмов: несмотря на свою эволюционную отдаленность от человека, брюхоногие моллюски демонстрируют наличие метилирования ДНК, и изучение этого процесса у более простых организмов может дать представление о его основных функциях, которые могут быть экстраполированы на более сложные организмы, включая человека.

Выбирая брюхоногих моллюсков, ученые могут изучать как консервативность, так и расхождение метилирования ДНК у разных видов, а также то, как эти изменения могут влиять на различные аспекты биологии — от развития до поведения.

— Еще в 1970-х годах в работах сотрудников биофака МГУ была выявлена связь старения животных и человека с изменением метилирования ДНК. Какие сейчас проводятся исследования в этой теме?

— Связь между старением и метилированием ДНК по-прежнему остается актуальной темой в исследованиях старения, и с 1970-х годов были достигнуты значительные успехи.

Одной из наиболее интересных областей современных исследований в этой области является разработка «эпигенетических часов». Это математические модели, которые используют закономерности метилирования ДНК для прогнозирования биологического возраста, часто более точного, чем хронологический. Самые известные эпигенетические часы были разработаны доктором Стивом Хорватом в 2013 году, и с тех пор было предложено несколько других версий. Эти часы помогают исследователям изучать, как происходит старение на молекулярном уровне, и они могут найти потенциальное применение в исследованиях старения и диагностике здоровья.

Также исследования показали, что с возрастом происходят изменения в структуре метилирования ДНК, часто в определенных генах, которые участвуют в функционировании и поддержании активности клеток. Исследователи изучают, как эти изменения метилирования способствуют развитию возрастных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, сердечно-сосудистые заболевания и рак. Некоторые исследования предполагают, что «эпигенетический дрейф» с течением времени может привести к деактивации генов, которые имеют решающее значение для восстановления тканей и гомеостаза.

Растет интерес к тому, можем ли мы обратить вспять эпигенетические изменения, связанные со старением. Крупный прорыв произошел в последние годы, когда исследователи показали, что возможно «перепрограммировать» эпигеном (включая паттерны метилирования) в определенных тканях. Например, в 2020 году исследование, опубликованное в журнале Nature, продемонстрировало, что индуцирование определенных факторов перепрограммирования у старых мышей может обратить вспять некоторые возрастные изменения в метилировании ДНК и «омолодить» ткани.

Ученые также изучали, как внешние факторы, такие как диета, стресс, физические упражнения и воздействие токсинов, влияют на метилирование ДНК и старение. Например, ограничение потребления калорий, которое, как было доказано, увеличивает продолжительность жизни различных организмов, связано с изменениями в структуре метилирования ДНК, влияющими на продолжительность жизни. С другой стороны, такие факторы, как курение, загрязнение окружающей среды и неправильное питание, могут ускорить старение из-за неблагоприятных изменений в метилировании.

В некоторых исследованиях изучается роль метилирования ДНК у людей с исключительной продолжительностью жизни. Эти исследования направлены на то, чтобы понять, могут ли определенные эпигенетические профили способствовать увеличению продолжительности жизни, что потенциально может дать представление о способах замедления старения.

— Как связаны старение и метилирование?

— Взаимосвязь между старением и метилированием ДНК имеет большое значение. Метилирование ДНК играет решающую роль в регуляции работы генов. При изменении структуры метилирования гены могут активироваться или отключаться, что может повлиять на функцию клеток и способствовать старению, или наоборот. Подавление работы генов: со временем определенные гены, которые важны для поддержания клеточных функций, таких как репарация ДНК, реакции на стресс и апоптоз (запрограммированная гибель клеток), могут подавляться из-за повышенного метилирования, что приводит к снижению способности организма восстанавливать повреждения и поддерживать гомеостаз. Потеря идентичности клеток: изменения в метилировании ДНК могут привести к потере клетками их специализированных функций. Это особенно важно для таких тканей, как кожа, мышцы и нервная система, где правильная дифференцировка необходима для поддержания целостности и функционирования тканей. Воспаление и старение: одним из признаков старения является хроническое воспаление низкой степени выраженности, которое иногда называют «воспалительным старением». Исследования показали, что паттерны метилирования ДНК могут влиять на экспрессию некоторых определенных генов, способствуя стойкому воспалению, наблюдаемому при старении и возрастных заболеваниях.

— Есть ли новые открытия и исследования?

— Что касается новых открытий, в 2023 году исследование, проведенное учеными из Калифорнийского университета в Беркли, показало, что манипулирование определенными эпигенетическими факторами может помочь обратить вспять некоторые возрастные изменения в метилировании ДНК в клетках человека. Это говорит о том, что эпигенетическая терапия может однажды стать возможной для замедления или обращения вспять некоторых аспектов старения.

Также был достигнут значительный прогресс в понимании того, как метилирование ДНК взаимодействует с другими эпигенетическими модификациями, такими как модификации гистонов, регулирующие старение. Это открыло новые пути для терапевтических исследований.

Взаимосвязь старения и метилирования ДНК невероятно сложна, но темпы открытий ускоряются, что дает надежду на то, что в будущем мы сможем использовать эти знания для замедления или даже обращения вспять некоторых аспектов старения на молекулярном уровне.

— Что такое синаптическая пластичность? Как она связана со старением, памятью и метилированием ДНК?

— Синаптическая пластичность — это проявление способности синапсов (контактов между нейронами) усиливать или ослаблять ответы на активность соседей по нейронной сети. Этот процесс является фундаментальным для обучения и запоминания. Когда мы узнаем что-то новое или приобретаем опыт, сила синаптических связей между нейронами может изменяться (либо усиливаясь, либо ослабевая), чтобы сделать передачу сигналов более эффективной или более слабой. Классические формы синаптической пластичности включают долговременное усиление (потенциацию) и долговременное ослабление.

С возрастом синаптическая пластичность имеет тенденцию к снижению. Это снижение может привести к ухудшению памяти и трудностям в обучении. Снижение пластичности мозга может привести к замедлению или снижению эффективности работы нервной системы, что может проявляться в снижении когнитивных способностей или возрастных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера. Мозг становится менее чувствительным к стимулам, которые обычно вызывают изменения в синаптической системе, что приводит к нарушению обучения и формирования памяти.

Формирование памяти напрямую связано с синаптической пластичностью. Считается, что, когда мы формируем память, это связано с изменением синаптического веса определенных нейронных связей. Считается, что надолго измененные синаптические связи представляют собой «след памяти». Эта пластичность позволяет кодировать, хранить и извлекать информацию. В контексте памяти синаптическая пластичность считается биологической основой для обучения и запоминания.

Метилирование ДНК играет важную роль в регуляции синаптической пластичности. Метилирование ДНК может влиять на экспрессию генов, которые имеют решающее значение для формирования и поддержания синаптических связей. Например, гены, участвующие в высвобождении нейромедиаторов, функционировании рецепторов или росте новых синапсов, могут регулироваться изменениями в метилировании промоторных участков.

Исследования показали, что изменения в метилировании ДНК влияют на синаптическую пластичность и процессы запоминания. Во время обучения и формирования памяти определенные гены активируются или отключаются из-за изменений в метилировании, которые, в свою очередь, влияют на синаптическую функцию. При старении изменения в структуре метилирования ДНК могут нарушить этот хрупкий баланс, нарушая синаптическую пластичность, необходимую для оптимальной когнитивной функции. Кроме того, некоторые нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, коррелятивно связаны с аномальными паттернами метилирования ДНК, которые могут способствовать нарушению пластичности и дефициту памяти.

Таким образом, синаптическая пластичность является ключевым механизмом, лежащим в основе обучения и памяти. Старение может снижать пластичность, приводя к проблемам с памятью, а изменения в паттернах метилирования ДНК могут регулировать или нарушать процессы, управляющие синаптической пластичностью, потенциально способствуя возрастному снижению когнитивных способностей.

— Сейчас проводятся исследования по изучению связи изменений метилирования ДНК с течением многих неврологических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, боковой амиотрофический склероз, деменция и аутизм. Являются ли изменения метилирования ДНК обратимыми? Могут ли эти исследования иметь прогностическое или диагностическое значение?

— В контексте болезни аномальные паттерны метилирования (гиперметилирование или гипометилирование) могут влиять на гены, которые имеют решающее значение для нормального функционирования мозга. Некоторые изменения в метилировании ДНК потенциально обратимы. Например, в настоящее время изучаются эпигенетические методы лечения, позволяющие «изменить» структуру метилирования. При некоторых заболеваниях, таких как рак, предпринимались попытки использовать лекарственные препараты (такие как ингибиторы ДНК-метилтрансферазы) для устранения аномального метилирования ДНК. Однако при нейродегенеративных заболеваниях этот процесс протекает на нескольких уровнях из-за сложности устройства мозговой ткани. Хотя некоторые аспекты метилирования ДНК могут быть обратимыми, возрастные процессы в мозге и связанные с болезнями процессы могут ограничивать эту обратимость.

Что касается потенциальной прогностической или диагностической ценности, то модели метилирования ДНК могут быть очень полезны.

Изменения в метилировании ДНК могут отражать прогрессирование заболевания или предрасположенность человека к определенному заболеванию. Мониторинг этих изменений может дать представление о том, как развивается заболевание или как пациент может реагировать на лечение. Например, специфические маркеры метилирования могут указывать на ранние стадии болезни Альцгеймера или Паркинсона до появления клинических симптомов.

Диагностическая ценность: аномальные паттерны метилирования ДНК могут служить биомаркерами для диагностики заболеваний. При неврологических заболеваниях эти биомаркеры могут быть полезны для выявления лиц, находящихся в группе риска, или тех, кто уже страдает от какого-либо заболевания. Например, изменения метилирования, связанные с нейровоспалением или синаптической дисфункцией, могут помочь подтвердить диагноз таких заболеваний, как деменция или аутизм, когда клиническая диагностика иногда может быть сложной или запоздалой.

Таким образом, хотя некоторые изменения в метилировании ДНК могут быть обратимыми, вопрос о том, в какой степени это может проявляться при неврологических заболеваниях, все еще остается открытым. Однако исследования метилирования ДНК могут дать ценную прогностическую и диагностическую информацию, позволяющую более раннее выявление и более эффективное лечение этих сложных нарушений. Способность отслеживать изменения метилирования с течением времени может стать ключевым инструментом в клинических условиях, хотя для полной реализации этого потенциала необходимы дополнительные исследования.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки