Чтобы правильно работать, нейроны вынуждены постоянно рвать свою ДНК – именно разрывы в ней помогают активировать гены, необходимые  для укрепления межнейронных контактов.

Чем человек старше, тем больше он, как правило, знает и помнит (хотя из всякого правила бывают исключения). Конечно, жизненный опыт не проходит бесследно, но, как оказалось, память и старение связаны теснее, чем можно было ожидать: процессы, происходящие в нейронах во время обучения, имеют много общего с возрастными изменениями.

Нейроны мышиного гиппокампа. (Фото ZEISS Microscopy / Flickr.com.)

Схема взаимодействия энхансера (фиолетовый) и промотора (оранжевый) синаптического гена вместе и их регуляторных белков: слева энхансер и промотор не могут провзаимодействовать из-за белка CTCF, справа они взаимодействуют благодаря разрыву в ДНК.

Всем клеткам, и нейронам в том числе, приходится постоянно ремонтировать ДНК, в которой происходят разрывы, выпадения фрагментов, замены правильных нуклеотидов на неправильные и т.д. Ремонтом занимаются множество специальных белков, входящих в систему репарации. У молодых клеток ДНК-репарирующие механизмы работают хорошо, но у старых они постепенно перестают справляться с задачей, и в геноме начинают накапливаться повреждения, которые могут стать причиной разных болезней.

Известно, к примеру, что при синдроме Альцгеймера ещё до появления каких-либо симптомов в ДНК нейронов гиппокампа, одного из главных центров памяти, появляются множественные разрывы. Исследователи из Массачусетского технологического института решили выяснить, какие молекулярные события происходят в клетках мозга в случае таких повреждений. Нейроны мышей обрабатывали специальным токсином, вызывавшем двуцепочечные разрывы в ДНК, после чего оценивали, изменилась ли как-то генетическая активность в клетке.

В общей сложности изменения касались 700 генов, большинство из которых стали работать слабее, что неудивительно, ведь если ген получил дефект, то клетке он теперь может только навредить. Однако у 12 генов активность, наоборот, возрастала, и, что самое интересное, это были те же гены, которые необходимы для нейронного ответа на внешний стимул. Известно, что восприятие и запоминание нового сенсорного опыта (да и не только сенсорного) требуют изменения в межнейронных связях: синапсы, соединяющие клетки между собой и служащие для передачи сигнала с одного нейрона на другой, делаются прочнее и эффективнее – в противном случае нейронная цепочка будет работать плохо, импульсы будут пропадать, не доходя до адресата, и никакой новой информации запомнить не получится. Усиление синапсов требует молекулярных инструментов, что, в свою очередь, связано с активацией специальных генов. В статье в Cell авторы пишут, что при попытке усилить синапсы в ДНК нейронов начинала рваться. Получалось, что запоминание и активация соответствующих генов сопровождаются в нейронах повреждениями в ДНК.

Дальнейшие эксперименты показали, что одну из главных ролей здесь играет фермент топоизомераза IIβ. Клеточная ДНК обычно бывает довольно сильно запутана и скручена в суперспирали, так что белки, которые осуществляют её репликацию (то есть удвоение) перед делением или транскрипцию (синтез РНК), просто не могут с такой запутанной и скрученной ДНК работать. И вот здесь оказываются нужны топоизомеразы, которые вносят в ДНК одно- или двуцепочечные разрывы и потом сшивают их обратно, тем самым распутывая сложные места в ДНК. Когда в нейронах топоизомеразу IIβ отключали, то количество повреждений-разрывов в ДНК резко уменьшилось, но одновременно замолчали гены, необходимые для нейронного ответа на стимул.

Рядом с этими генами расположены специфические последовательности нуклеотидов, приманивающие к себе белок CTCF. Он служит ингибитором транскрипции, то есть в его присутствии РНК на гене синтезироваться не может. Активация множества генов начинается с того, что белки, сидящие на регуляторной области в ДНК под названием промотор, взаимодействуют с белками на регуляторной области под названием энхансер. Однако CTCF создаёт в ДНК петли и изгибы, из-за которых промотор и энхансер (и белки, сидящие на них) не могут сблизиться и провзаимодействовать. И вот тут приходит на помощь топоизомераза, которая, разрезая ДНК, помогает ей изменить форму так, чтобы последовательности регуляторы сблизились, несмотря на белок CTCF. Далее начинается синтез РНК на гене, необходимом для укрепления синапса, и нейрон теперь может прочно встроиться в запоминающую цепочку.

Разумеется, потом разрыв в ДНК будет заделан. Но вполне возможно, что с возрастом белки, вносящие разрывы, перестают работать, как надо, и оставляют такие повреждения неисправленными. Так что именно этот молекулярный механизм, необходимый для формирования памяти, вносит существенный вклад в старение клеток. То есть именно способность учиться и запоминать становится одной из главных причин возрастных когнитивных нарушений – в полном соответствии с соломоновым выражением «во многой мудрости много печали» (хотя сам царь Соломон имел здесь в виду всё-таки нечто иное, нежели нейрофизиологические расстройства).

Отсюда следует, что для предотвращения возрастных неприятностей (вплоть до болезни Альцгеймера), возникающих из-за неполадок в геноме, нам нужно позаботиться не столько о том, чтобы в ДНК вообще никаких разрывов не было – они как раз нужны, и в большом количестве – а о том, чтобы такие разрывы своевременно залечивались репарирущими системами. Хотя прежде чем говорит о клинических перспективах новых данных, следует проверить их на клетках человека.