Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Эпигенетика обучения и мутагенез нейронов

Ученые давно узнали, что большая часть нашего генома активна конкретно в нервной системе или мозге. В последние десятилетия появились новые возможности и методы, которые позволили изучать, что происходит с активностью генома в отдельных нейронах. Такой подход принес много новой информации.Во-первых, нейроны сильно отличаются друг от друга по транскриптому это матричная или информационная РНК, которая существует в отдельных нейронах. Представления о разнообразии нервных клеток, которые возникали на основе их трансмиттерных различий, электрической активности, морфологии, были заниженными, потому что разнообразие клеток, которое получают, используя их транскриптомы, оказывается на порядки выше.Кроме того, за последние годы нейробиологи узнали, что нейроны постоянно обращаются к своему геному и умеют менять экспрессию собственных генов. Они делают это в зависимости от прошлого опыта и, как нам хочется думать, в зависимости от тех прогнозов, которые появляются в отношении ожидаемого будущего.Разные нейроны меняют активность разных генов, и это говорит о нескольких важных выводах. С одной стороны, в нервной системе сформирован продвинутый аппарат управления активностью собственного генома. С другой,уже давно известно, что, когда к геному приходится обращаться часто, часто менять состояние хроматина, менять доступность генома для экспрессии и регуляции,геном подвергается опасности. Чем выше активность генов, тем выше их доступность для некоторых регуляторных воздействий, тем больше они оказываются экспонированы для воздействия самых разных мутагенов. Это могут быть и мобильные элементы, например кусочки ДНК, которые могут перепрыгивать и встраиваться в самые разные участки генома, нарушая работу нормальных генов.Плата за пластичностьНейроны имеют высокую пластичность, которая связана с пластичностью генома, с изменением состояния хроматина и хромосом.Хроматин это упаковка ДНК. Известно, что ДНК не просто находится в наших хромосомах, но определенным образом упакована. В хромосомах есть белки гистоны, которые отвечают за упаковку ДНК. Когда все сконденсировано, ДНК упакована плотно, а активность генома низкая, гены не экспрессируются. Регулировать гены в таком положении затруднительно, хотя можно изменить состояние гистонов и растянуть хроматин в этой области. Тогда получится активировать конкретный участок генома. У ученых появилось предположение, что платой за высокую пластичность нейронов, связанную с высокой пластичностью их генома, выступает их большая подверженность мутациям. Для подтверждения или опровержения этого предположения целесообразно посмотреть на геном отдельных нейронов не на РНК и не на транскриптом, а на саму молекулу ДНК.До этого предположения ученые не видели большого смысла в изучении отдельной молекулы ДНК, потому что было известно, что геном одинаковый во всем организме. Сравнение генома отдельных нервных клеток было необходимо, чтобы посмотреть, что происходит с мутациями в геноме отдельных нейронов. Оказалось, что мутаций в нейронах накапливается много. Сейчас уже есть данные по геному отдельных нейронов человека и мыши. Авторы исследований говорят, что мутаций примерно сто на одну нервную клетку.Это количество мутаций выглядит большим только по сравнению с другими клетками организма. Ученые продолжили изучать, как и когда нейроны мутируют, и выяснили еще несколько интересных фактов.Оказалось, что большая часть мутаций накапливается не в период, когда нейроны еще только формируются, а уже во время своей взрослой жизни. Это значит, что мутации связаны именно с работой и взрослой жизнью нейронов. Это важное отличие нейронов от тех клеток, которые не являются нервными, и накапливают большинство мутаций во время деления. Кроме того, мутации нейронов обнаружились в функциональных областях генома. Они оказались распределенными не случайно, а были обнаружены в генах, которые чаще всего экспрессировались нейронами.Новая особенность мутаций у нейронов породила новое отличие, потому что другие клетки умеют защищать именно те гены, которые они чаще всего используют, а нейроны либо не умеют, либо не могут защищать такие гены. С чем это связано, пока неизвестно. Существует предположение, что это связано с высокой пластичностью. Из-за того, что нейроны часто меняют экспрессию своих генов, они не могут их защищать. Само присутствие большого количества мутаций в нейронах говорит о том, что система репарации не справляется с уровнем мутагенеза, который идет в живых нервных клетках.Опасность мутацийВажно разобраться с опасностью этих мутаций. Это сложный вопрос, потому что мутации вещь не очень хорошая, но они могут быть нейтральными. Все зависит от того, куда попадет мутация, потому что это хаотический процесс. Иногда мутация может не привести вообще ни к каким изменениям. В другой ситуации, если она попадает в слабое место, она приведет к существенным нарушениям функционирования гена и клетки. В одном из исследований ученые заменили геном мыши геномом из мутировавшего нейрона, чтобы посмотреть, получится ли нормальный организм из такого генома с мутациями. Животное получилось жизнеспособным и даже способным к размножению. Это значит, что никаких серьезных последствий в этой случайной комбинации мутаций, которые оказались в выделенных нервных клетках, не произошло.Такие исследования формирует интересный вывод, из которого мы понимаем, что за когнитивные функции приходится расплачиваться не только энергетически. Вывод о том, что когнитивные функции это дорогая вещь в плане энергии, был известен всегда. Мы знаем, что мозг больше всего потребляет глюкозы, он страшно чувствителен к снижению кислорода и так далее. А вот то, что за когнитивные способности мы можем платить утратой генетической информации, накоплением мутаций, это совершенно новая идея, которую нейробиологи еще не успели полностью изучить. Возможно, в будущем причины многих нейродегенеративных заболеваний будут искать в накоплении и изменении функционирования генома нервных клеток.Чем животные жертвуют ради умаВ одном из видов поведенческих экспериментов ученые отбирали тех самцов и самок, которые лучше решали какую-то задачу, и затем спаривали их между собой. Потом повторяли такую процедуру снова в расчете получить более умных крыс и посмотреть, что в этих животных изменилось и почему они становятся умнее. Но ученые столкнулись с неожиданной проблемой: оказалось, что у животных быстрее, чем когнитивные способности, нарастали патологические проблемы. Крысы оказывались невротиками, поэтому не было никакой возможности поместить такое животное в условия эксперимента.Другая группа ученых использовала иной метод. Они отбирали животных по способности учиться. Оказалось, что в результате этого отбора крысы действительно смогли обучаться быстрее, чем более глупые животные, но они были несчастными по ряду других показателей. Во-первых, они проигрывали в драках более глупым самцам. Во-вторых, у них невыгодно отличалась метаболическая система, использование глюкозы и другие составляющие. В-третьих, у них появилась предрасположенность к алкоголизму, которая была выше, чем у крыс, специально отобранных на предрасположенность к алкоголю.Похожие поведенческие эксперименты проводили на мухах дрозофилах. Их тоже старались отбирать по способностям к обучению. В итоге ученые столкнулись с тем же самым: выяснилось, что личинки умных мух не могли конкурировать при снижении количества пищевого субстрата с личинками обычных мух и быстрее умирали. Снижалась плодовитость и продолжительность жизни таких мух.Эти данные не связаны напрямую с тем, повышается ли пластичность мозга и действительно ли нейроны умных животных больше накапливают мутации. Прямого ответа на этот вопрос результаты не дают, но эти явления могут быть связаны. Информацию, которую удается найти в отдельных клетках, и поведенческие эксперименты, которые были проведены раньше, показывают примерно одно и то же: за высокую пластичность и когнитивные способности приходится платить очень дорого.Возможно, это именно та причина, из-за которой когнитивная эволюция так медленно развивается. Как только в естественной среде исчезают факторы, требующие усиления когнитивных способностей, эти способности быстро ухудшаются у животных, потому что биологически быть умным расточительно и опасно. Хотя когнитивные способности дают большие преимущества, о которых давно известно. О преимуществах, которыми обладают умные животные, мы всегда знали, а о том, чем за это платит нервная система, мы стали узнавать относительно недавно.
Источник: postnauka.ru
К списку статей
Опубликовано: 15.06.2020 22:00:56
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Краткая история будущего

Последние комментарии

© 2006-2020, umnikizdes.ru