Иммунофлуоресцентное исследование проливает свет на процессы повреждения и восстановления ДНК мозга
Клетки мозга получают сенсорные сигналы из внешнего мира и посылают сигналы по всему телу, сообщая органам и мышцам, что делать. Хотя нейроны составляют всего 10% клеток мозга, их функциональная и геномная целостность должна поддерживаться на протяжении всей жизни. Большинство делящихся клеток в организме имеют четко определенные механизмы контрольных точек для обнаружения и исправления повреждений ДНК во время репликации ДНК.
Однако нейроны не делятся. По этой причине они подвержены большему риску накопления повреждений и должны разрабатывать альтернативные пути восстановления, чтобы избежать дисфункции. Ученые не понимают, как контролируется повреждение нейронной ДНК при отсутствии контрольных точек репликации.
Недавнее исследование под руководством Синтии Макмюррей и Ариса Полизоса в Отделе молекулярной биофизики и комплексной биовизуализации Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) заполнило этот пробел в знаниях, пролив свет на то, как повреждение и восстановление ДНК происходят в мозге. Их результаты показывают, что само повреждение ДНК служит контрольной точкой, ограничивая накопление геномных ошибок в клетках во время естественного старения.
Статья, опубликованная в журнале Nature Communications , дает ключи к пониманию потенциальной роли невосстановленных повреждений ДНК в прогрессировании нейродегенеративных заболеваний и может помочь в разработке методов лечения.
Мозг высокоспециализирован, с нейронами в разных областях, выполняющими различные когнитивные и двигательные роли, и, в зависимости от их функции, нейроны различаются по своим энергетическим потребностям . Как первое исследование, интегрирующее особенности типа клеток и области мозга, специфичные для восстановления ДНК в нормальном мозге, эта работа устанавливает стандарт для области
«Когда мы начинали эту работу, не было исследования, которое бы подробно изучало региональный компонент повреждения ДНК в мозге», — сказал Полизос, научный сотрудник и первый автор статьи.
«Поскольку многие внутренние агенты, повреждающие ДНК в нервных клетках, возникают в результате выработки энергии , а метаболическая активность различается по всему мозгу, мы предположили, что также будут существовать региональные различия в повреждении ДНК и его регуляции».
В сотрудничестве с лабораторией Закари Нагеля в Школе общественного здравоохранения TH Chan в Гарвардском университете исследователи из лаборатории Беркли использовали ряд инновационных методов для измерения способности к восстановлению ДНК, профилей экспрессии репарационных белков и уровней двухцепочечных разрывов в различных областях мозга у здоровых мышей. Во-первых, исследователи подтвердили наличие основных механизмов пути восстановления ДНК в каждой из четырех областей мозга: коре головного мозга, гиппокампе, мозжечке и полосатом теле.
Относительная пропорция нейронов и глии различается в разных областях мозга. Кредит: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51906-5
Затем члены группы Нагеля определили возможности различных путей восстановления ДНК в различных областях мозга, используя метод под названием «флуоресцентная мультиплексная реактивация клеток-хозяев», разработанный в их лаборатории. Кроме того, команда в лаборатории Беркли визуализировала нервные клетки в неповрежденном мозге, используя методы иммунофлуоресценции, что позволило различать различные типы клеток в мозге и поддерживать физиологический контекст для повреждения и восстановления ДНК.
Было замечено, что одноцепочечные разрывы, образующиеся во время восстановления ДНК, преобразуются в двухцепочечные разрывы и обратимо переключаются между состояниями в ответ на окисление в культивируемых нейронах, а также в мозге живых мышей. Клетка использует обратимое взаимопревращение в качестве физиологической контрольной точки, чтобы производить невосстановленные двухцепочечные разрывы для продуктивных функций, но также не позволяет им превышать допустимые пределы.
Хотя окислительное повреждение возникает как часть нормального обмена веществ, исследователи обнаружили, что высокий уровень окислительного повреждения может привести к старению и болезням, если накопление повреждений превышает нормальный порог.
«Эта статья представляет собой хорошее исследование устойчивого уровня разрывов ДНК в мозге и подтверждает давнюю точку зрения, что окислительный стресс является источником таких разрывов, включая преобразование одноцепочечных разрывов в двухцепочечные», — отметил Кит Колдекотт, содиректор Центра изучения повреждений и стабильности генома в Университете Сассекса и эксперт в области повреждений ДНК, который не принимал участия в написании статьи.
«Гипотеза о том, что такие разрывы сами по себе являются регуляторным сигналом, а не просто обязательным промежуточным звеном регуляторной реакции, является интригующей и провокационной».
Более того, исследование предоставляет более основательную основу для изучения повреждений и восстановления ДНК, наблюдаемых при прогрессировании нейродегенеративных заболеваний, включая болезнь Альцгеймера, болезнь Хантингтона и болезнь Паркинсона. Макмюррей, Полизос и их команда изучали нарушение регуляции выработки энергии в нейронах при болезни Хантингтона и в настоящее время изучают повреждение ДНК, наблюдаемое в этих нейронах при прогрессировании заболевания. Доказательства пути между нарушением регуляции энергии и нейродегенерацией могут в конечном итоге обеспечить терапевтическую цель для болезни Хантингтона.
«Крайне важно знать источник нестабильности генома, который возникает внутри клеток и лежит в основе многих синдромов дефектов репарации ДНК, характеризующихся нейродегенерацией или аномальным развитием нервной системы», — отметил Питер МакКиннон, заместитель председателя отделения клеточной и молекулярной биологии Детской исследовательской больницы Св. Иуды и еще один эксперт в этой области, особенно в отношении повреждений ДНК, вызванных болезнями.
«В этом новом отчете исследователи показывают, что преобразование одноцепочечных разрывов в двухцепочечные разрывы посредством окислительного повреждения является ключевым событием в возникновении пагубных типов повреждений генома. Это важное открытие, которое помогает нам понять, как возникают эти неврологические заболевания».