er ombygningsprocessen delvist opnået ved at aktivere nye programmer til gentranskription i hjernen. Neuroner bruger disse programmer til at omdanne DNA til instruktioner til samling af proteiner. Denne aktive transkription i neuroner kommer canine med en alvorlig omkostning: Den gør DNA’et sårbart over for brud, hvilket ødelægger de meget genetiske instruktioner, der er nødvendige for at lave proteiner, der er så essentielle for cellulær funktion.
“Der er denne modsigelse der på et biologisk plan – neuronal aktivitet er afgørende for neuronernes ydeevne og overlevelse, males alligevel iboende skadelig for cellernes DNA,” sagde medforfatter Daniel Gilliam, en kandidatstuderende i programmet i neurovidenskab ved HMS.
Forskerne blev interesserede i, hvordan hjernen balancerer omkostningerne og fordelene ved neuronal aktivitet.
“Vi spekulerede på, om der var specifikke mekanismer, som neuroner anvender til at afbøde denne skade for at give os mulighed for at tænke og lære og huske gennem årtier af livet,” sagde Pollina.
Holdet rettede sin opmærksomhed mod NPAS4, en transkriptionsfaktor, hvis funktion blev opdaget af Michael Greenbergs laboratorium i 2008. Et protein, der vides at være meget specifikt for neuroner, NPAS4 regulerer ekspressionen af aktivitetsafhængige gener for at kontrollere hæmning i excitatoriske neuroner, når de reagerer til ydre stimuli.
“Det, der har været et mysterium for os, er, hvorfor neuroner har denne ekstra transkriptionsfaktor, som ikke findes i andre celletyper,” sagde Greenberg, Nathan Marsh Pusey-professor i neurobiologi ved Blavatnik Institute ved HMS og seniorforfatter om det nye papir.
“NPAS4 er primært tændt i neuroner som reaktion på forhøjet neuronal aktivitet, der er drevet af ændringer i sensorisk erfaring, og så vi ønskede at forstå funktionerne af denne faktor,” tilføjede Pollina.
I det nye studie gennemførte forskerne en række biokemiske og genomiske eksperimenter i mus. Først bestemte de, at NPAS4 eksisterer som en del af et kompleks lavet af 21 forskellige proteiner, kendt som NPAS4-NuA4. De fastslog derefter, at komplekset binder til steder på neuronalt DNA med meget skade og kortlagde placeringerne af disse steder. Når komponenter af komplekset blev inaktiveret, opstod der flere DNA-brud, og færre reparationsfaktorer blev rekrutteret. Derudover akkumulerede steder, hvor komplekset var til stede, mutationer langsommere finish steder uden komplekset. Endelig havde mus, der manglede NPAS4-NuA4-komplekset i deres neuroner, væsentligt forkortet levetid.
“Det, vi fandt, er, at denne faktor spiller en afgørende rolle i initieringen af en ny DNA-reparationsvej, der kan forhindre de brud, der opstår sammen med transskription i aktiverede neuroner,” sagde Pollina.
“Det er dette ekstra lag af DNA-vedligeholdelse, der er indlejret i den neuronale reaktion på aktivitet,” tilføjede Gilliam, og det giver en “potentiel løsning på problemet, at du har brug for en vis mængde aktivitet for at opretholde neuronal sundhed og levetid, males selve aktiviteten er skadelig.”
Et bredere syn
Nu hvor forskerne har identificeret NPAS4-NuA4-komplekset og lagt det grundlæggende i, hvad det gør, ser de mange fremtidige retninger for deres arbejde.
Pollina er interesseret i at anlægge et bredere blik ved at udforske, hvordan mekanismen varierer på tværs af længere og kortere levede arter. Hun ønsker også at undersøge, om der er andre mekanismer til DNA-reparation – i neuroner og i andre celler – og hvordan disse mekanismer virker, og i hvilke sammenhænge de bruges.
“Jeg tror, det åbner ideen om, at alle celletyper i kroppen sandsynligvis specialiserer deres reparationsmekanismer afhængigt af deres levetid, den slags stimuli, de ser, og deres transkriptionelle aktivitet,” sagde Pollina. “Der er sandsynligvis mange mekanismer for aktivitetsafhængig genombeskyttelse, som vi endnu ikke har opdaget.”
Greenberg er ivrig efter at dykke dybere ned i detaljerne i mekanismen for at forstå, hvad hvert protein i komplekset gør, hvilke andre molekyler der er involveret, og hvordan reparationsprocessen præcist udføres.
Et næste skridt, sagde han, er at kopiere resultaterne i menneskelige neuroner – arbejde, der allerede er i gang i hans laboratorium.
“Jeg tror, der er fristende beviser for, at dette er related for mennesker, males vi har endnu ikke kigget i menneskets hjerner for steder og skader.” han sagde. “Det kan vise sig, at denne mekanisme er endnu mere udbredt i den menneskelige hjerne, hvor du har så meget mere tid til, at disse pauser opstår, og til DNA skal repareres.”
Hvis de bekræftes hos mennesker, kan resultaterne give indsigt i, hvordan og hvorfor neuroner nedbrydes, når vi bliver ældre, og hvornår vi udvikler neurodegenerative sygdomme som Alzheimers. Det kan også hjælpe forskere med at udvikle strategier til at beskytte andre regioner af det neuronale genom, der er tilbøjelige til at beskadige, eller til at behandle lidelser, hvor DNA-reparation i neuroner går galt.
Forfatterskab, finansiering, afsløringer
Yderligere forfattere omfatter Cindy Lin, Naomi Pajarillo, Christopher Davis, David Harmin, Ee-Lynn Yap, Ian Vogel, M. Aurel Nagy, Emi Ling, Eric Griffith, Charles Weitz, Erin Duffy, Andrew Landau og Bernardo Ser ombygningsprocessen delvist opnået ved at aktivere nye programmer til gentranskription i hjernen. Neuroner bruger disse programmer til at omdanne DNA til instruktioner til samling af proteiner. Denne aktive transkription i neuroner kommer canine med en alvorlig omkostning: Den gør DNA’et sårbart over for brud, hvilket ødelægger de meget genetiske instruktioner, der er nødvendige for at lave proteiner, der er så essentielle for cellulær funktion.
“Der er denne modsigelse der på et biologisk plan – neuronal aktivitet er afgørende for neuronernes ydeevne og overlevelse, males alligevel iboende skadelig for cellernes DNA,” sagde medforfatter Daniel Gilliam, en kandidatstuderende i programmet i neurovidenskab ved HMS.
Forskerne blev interesserede i, hvordan hjernen balancerer omkostningerne og fordelene ved neuronal aktivitet.
“Vi spekulerede på, om der var specifikke mekanismer, som neuroner anvender til at afbøde denne skade for at give os mulighed for at tænke og lære og huske gennem årtier af livet,” sagde Pollina.
Holdet rettede sin opmærksomhed mod NPAS4, en transkriptionsfaktor, hvis funktion blev opdaget af Michael Greenbergs laboratorium i 2008. Et protein, der vides at være meget specifikt for neuroner, NPAS4 regulerer ekspressionen af aktivitetsafhængige gener for at kontrollere hæmning i excitatoriske neuroner, når de reagerer til ydre stimuli.
“Det, der har været et mysterium for os, er, hvorfor neuroner har denne ekstra transkriptionsfaktor, som ikke findes i andre celletyper,” sagde Greenberg, Nathan Marsh Pusey-professor i neurobiologi ved Blavatnik Institute ved HMS og seniorforfatter om det nye papir.
“NPAS4 er primært tændt i neuroner som reaktion på forhøjet neuronal aktivitet, der er drevet af ændringer i sensorisk erfaring, og så vi ønskede at forstå funktionerne af denne faktor,” tilføjede Pollina.
I det nye studie gennemførte forskerne en række biokemiske og genomiske eksperimenter i mus. Først bestemte de, at NPAS4 eksisterer som en del af et kompleks lavet af 21 forskellige proteiner, kendt som NPAS4-NuA4. De fastslog derefter, at komplekset binder til steder på neuronalt DNA med meget skade og kortlagde placeringerne af disse steder. Når komponenter af komplekset blev inaktiveret, opstod der flere DNA-brud, og færre reparationsfaktorer blev rekrutteret. Derudover akkumulerede steder, hvor komplekset var til stede, mutationer langsommere finish steder uden komplekset. Endelig havde mus, der manglede NPAS4-NuA4-komplekset i deres neuroner, væsentligt forkortet levetid.
“Det, vi fandt, er, at denne faktor spiller en afgørende rolle i initieringen af en ny DNA-reparationsvej, der kan forhindre de brud, der opstår sammen med transskription i aktiverede neuroner,” sagde Pollina.
“Det er dette ekstra lag af DNA-vedligeholdelse, der er indlejret i den neuronale reaktion på aktivitet,” tilføjede Gilliam, og det giver en “potentiel løsning på problemet, at du har brug for en vis mængde aktivitet for at opretholde neuronal sundhed og levetid, males selve aktiviteten er skadelig.”
Et bredere syn
Nu hvor forskerne har identificeret NPAS4-NuA4-komplekset og lagt det grundlæggende i, hvad det gør, ser de mange fremtidige retninger for deres arbejde.
Pollina er interesseret i at anlægge et bredere blik ved at udforske, hvordan mekanismen varierer på tværs af længere og kortere levede arter. Hun ønsker også at undersøge, om der er andre mekanismer til DNA-reparation – i neuroner og i andre celler – og hvordan disse mekanismer virker, og i hvilke sammenhænge de bruges.
“Jeg tror, det åbner ideen om, at alle celletyper i kroppen sandsynligvis specialiserer deres reparationsmekanismer afhængigt af deres levetid, den slags stimuli, de ser, og deres transkriptionelle aktivitet,” sagde Pollina. “Der er sandsynligvis mange mekanismer for aktivitetsafhængig genombeskyttelse, som vi endnu ikke har opdaget.”
Greenberg er ivrig efter at dykke dybere ned i detaljerne i mekanismen for at forstå, hvad hvert protein i komplekset gør, hvilke andre molekyler der er involveret, og hvordan reparationsprocessen præcist udføres.
Et næste skridt, sagde han, er at kopiere resultaterne i menneskelige neuroner – arbejde, der allerede er i gang i hans laboratorium.
“Jeg tror, der er fristende beviser for, at dette er related for mennesker, males vi har endnu ikke kigget i menneskets hjerner for steder og skader.” han sagde. “Det kan vise sig, at denne mekanisme er endnu mere udbredt i den menneskelige hjerne, hvor du har så meget mere tid til, at disse pauser opstår, og til DNA skal repareres.”
Hvis de bekræftes hos mennesker, kan resultaterne give indsigt i, hvordan og hvorfor neuroner nedbrydes, når vi bliver ældre, og hvornår vi udvikler neurodegenerative sygdomme som Alzheimers. Det kan også hjælpe forskere med at udvikle strategier til at beskytte andre regioner af det neuronale genom, der er tilbøjelige til at beskadige, eller til at behandle lidelser, hvor DNA-reparation i neuroner går galt.
Forfatterskab, finansiering, afsløringer
Yderligere forfattere omfatter Cindy Lin, Naomi Pajarillo, Christopher Davis, David Harmin, Ee-Lynn Yap, Ian Vogel, M. Aurel Nagy, Emi Ling, Eric Griffith, Charles Weitz, Erin Duffy, Andrew Landau og Bernardo S