Международная совместная исследовательская группа, в которую входят ученые из Квинслендского института мозга Университета Квинсленда (QBI), обнаружила новый механизм, лежащий в основе памяти, включающий быстрые изменения в определенной структуре ДНК.

Команда обнаружила, что ДНК G-квадраплекса (G4-ДНК) накапливается в нейронах и динамически контролирует активацию и репрессию генов, лежащих в основе формирования долговременной памяти.

Кроме того, используя передовую технологию редактирования генов на основе CRISPR, команда выявила причинный механизм, лежащий в основе регуляции G4-ДНК в мозге, который включает сайт-направленное отложение ДНК-хеликазы DHX36.

Новое исследование, опубликованное в журнале Neuroscience, предоставляет первые доказательства того, что G4-ДНК присутствует в нейронах и функционально участвует в выражении различных состояний памяти.

Исследование, проведенное доктором Полом Маршаллом из Австралийского национального университета и QBI, а также командой сотрудников из Университета Линчёпинга, Института науки Вейцмана и Калифорнийского университета в Ирвайне, подчеркивает роль, которую динамические структуры ДНК играют в консолидации памяти.

Гибкость ДНК

На протяжении десятилетий многие учёные считали, что тема ДНК решена. ДНК широко признана как правосторонняя двойная спираль, изменения в этой структуре происходят только во время репликации и транскрипции ДНК. Эта структура содержит две цепи нуклеиновой кислоты с четырьмя основаниями: аденин (А) и тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С), которые соединяются вместе, образуя ступеньки лестницы ДНК.

Теперь мы знаем, что это не полная история. Профессор QBI Тим Бреди объясняет, что ДНК может принимать различные конформационные состояния, которые функционально важны для клеточных процессов.

«Топология ДНК гораздо более динамична, чем статичная правая двойная спираль , как предполагают большинство исследователей в этой области», — сказал профессор Бреди.

«На сегодняшний день выявлено более 20 различных состояний структуры ДНК, каждое из которых потенциально выполняет различную роль в регуляции экспрессии генов».

В новом исследовании команда показала, что значительная часть этих структур причинно участвует в регуляции зависимой от активности экспрессии генов и необходима для формирования памяти.

Хотя эпигенетические модификации имеют хорошо установленную связь с пластичностью и памятью нейронов, на сегодняшний день мало что известно о том, как локальные изменения в структуре ДНК влияют на экспрессию генов.

G4-ДНК накапливается в клетках, когда гуанины сворачиваются в стабильную четырехцепочечную структуру ДНК. Хотя существуют доказательства роли, которую эта структура играет в регуляции транскрипции, до этого исследования ее участие в зависимой от опыта экспрессии генов не изучалось.

G4-ДНК регулирует память

G4-ДНК временно накапливается в активных нейронах во время обучения. Формирование этой квадраплексной структуры происходит в течение миллисекунд или минут с той же скоростью транскрипции нейронов в ответ на опыт.

Таким образом, структура G4-ДНК может участвовать как в усилении, так и в нарушении транскрипции в активных нейронах в зависимости от их активности, обеспечивая различные состояния памяти.

Этот механизм подчеркивает, как ДНК динамически реагирует на опыт, и предполагает, что она способна хранить информацию не только в своем коде или эпигенетически, но и структурно.

Погашение воспоминаний о страхе

Угасание обусловленного страха — это поведенческая адаптация, имеющая решающее значение для выживания. Угасание страха основано на формировании новых долговременных воспоминаний с аналогичными элементами окружающей среды, чтобы конкурировать с воспоминаниями, связанными со страхом, и захватывать их.

Формирование долговременных воспоминаний о вымирании зависит от скоординированных изменений в экспрессии генов.

Профессор Бреди сказал, что теперь очевидно, что вызванная активностью экспрессия генов, лежащая в основе вымирания, представляет собой четко скоординированный процесс.

«Этот процесс зависит от временных взаимодействий между транскрипционным аппаратом и различными структурами ДНК, включая G4-ДНК, а не определяется исключительно последовательностью ДНК или модификацией ДНК, как это часто предполагалось.

«Это открытие расширяет наше понимание того, как ДНК функционирует как высокодинамичное устройство контроля транскрипции при обучении и памяти».