Vedci zistili, že neuróny v mozgu sa obnovujú tak, že opravia svoju poškodenú DNA.
Neurónom sa počas presunu do mozgovej kôry poškodzuje DNA. Zdroj: iStock/iLexx
Počas štádia vývoja mozgu sa novovytvorené neuróny musia dostať cez husto usporiadanú tkaninu, aby sa premiestnili až do mozgovej kôry, kde sa stanú súčasťou komunikačnej siete v mozgu. Toto núti bunky prechádzať úzkymi medzerami medzi vláknami a susednými bunkami. Nová štúdia, publikovaná v časopise Nature, odhalila nečakaný dôsledok tohto procesu.
Vedci z Inštitútu pre integrované bunkovo-materiálové vedy (WPI-iCeMS) Kjótskej univerzity v spolupráci s rôznymi ďalšími vedeckými inštitúciami zistili, že neurónom sa počas presunu do mozgovej kôry poškodzuje DNA, konkrétne sa v bunkách vyskytujú dvojreťazové zlomy, čo je závažná forma poškodenia DNA, pri ktorej dochádza k prerušeniu oboch reťazcov dvojitej špirály DNA. Dvojreťazové zlomy DNA sú najzávažnejším typom poškodenia genetickej informácie, pri ktorom dôjde k pretrhnutiu oboch reťazcov dvojzávitnice. Spôsobujú ich vonkajšie vplyvy (žiarenie, toxíny) alebo vnútorné procesy (chyby replikácie), pričom neliečené vedú k bunkovej smrti alebo k rakovine.
Hoci sa zlomy dvojitej špirály DNA zvyčajne spájajú s mutáciami, poruchami funkcie buniek a dokonca aj so smrťou buniek, vedci zistili, že sú bežnou súčasťou vývoja mozgovej kôry. V zdravom mozgu sa toto poškodenie rýchlo napraví skôr, než stihne spôsobiť trvalé problémy.
„Zdá sa, že vyvíjajúci sa mozog sa vyvinul tak, aby dokázal tolerovať a efektívne opravovať poškodenia neurónov,“ hovorí profesorka Mineko Kengaku z Inštitútu pre integrované bunkovo-materiálové vedy (iCeMS) na Kjótskej univerzite, ktorá štúdiu viedla. „Vďaka pochopeniu hraníc tejto tolerancie a toho, čo sa stane, keď je oprava neúplná, dokážeme porozumieť aj celému spektru neurologických ochorení.“
S cieľom zistiť, ako k tomuto poškodeniu dochádza, vedci napodobnili fyzické prekážky, s ktorými sa vyvíjajúce sa neuróny stretávajú. Viedli neuróny drobnými mikrokanálmi navrhnutými tak, aby napodobňovali stiesnené priestory v rastúcom mozgovom tkanive.
Pomocou fluorescenčných markerov tím pozoroval vznik dvojreťazových zlomov DNA, ktoré sa objavovali počas pohybu neurónov kanálmi. Hneď ako bunky vyšli na druhej strane, poškodenie postupne zmizlo. Väčšina zlomenín bola opravená do 24 hodín a neuróny pokračovali v normálnej činnosti.
Prečo sa neuróny zotavujú, zatiaľ čo iné bunky nie?
Výskumníci identifikovali zdroj poškodenia ako topoizomerázu IIβ, enzým, ktorý za normálnych okolností pomáha bunkám zvládnuť napätie v DNA. Za bežných podmienok tento enzým dočasne rozstrihne vlákna DNA, aby uvoľnil skrútenie a napätie vznikajúce bežnou bunkovou činnosťou, a následne ich opäť spojí.
Tento proces možno prirovnať k prestrihnutiu zamotaného kábla s cieľom odstrániť skrútenia a jeho následnému opätovnému spojeniu. Keď sú však neuróny vystavené mechanickému namáhaniu pri pretláčaní sa úzkymi priestormi, enzým môže uviaznuť v polovici procesu, čím zostanú úseky DNA poškodené. Bunka sa potom spolieha na opravný mechanizmus nazývaný nehomologické spájanie koncov, ktorý znovu spojí poškodené konce DNA.
Tím zistil, že poškodenie DNA neurónov sa líši od poškodenia pozorovaného v určitých rakovinových bunkách, ktoré sa pohybujú tými istými mikrokanálmi. V rakovinových bunkách má poškodenie DNA tendenciu vyskytovať sa náhodnejšie a môže narušiť normálnu bunkovú činnosť alebo vyvolať bunkovú smrť.
Naopak, zlomy DNA v neurónoch sa sústreďovali hlavne v oblastiach genómu, ktoré sa aktívne nepodieľajú na kritických génových funkciách. Keďže základné gény zostávajú z veľkej časti ušetrené, bunky sú schopné zachovať normálnu funkciu napriek dočasnému poškodeniu.
Keď oprava DNA zlyhá
S cieľom preskúmať dôsledky zlyhávajúcej opravy vedci vytvorili myši, ktorým v novovytvorených neurónoch v mozgu chýbala ligáza 4, kľúčový enzým potrebný na opravu DNA.
Myši sa vyvíjali normálne a nevykazovali žiadne zjavné včasné abnormality. Len čo boli dospelé, začali pociťovať mierne, ale postupne sa zhoršujúce problémy s rovnováhou. Tieto príznaky sa podobajú tým, ktoré sa pozorujú pri určitých ľudských poruchách spojených s nestabilitou genómu, ktoré postihujú mozoček.
Tieto zistenia naznačujú, že poškodenie a oprava DNA môžu v biológii mozgu zohrávať väčšiu úlohu, než sa doteraz predpokladalo. Vedci sa teraz snažia zistiť, či tieto včasné zmeny v DNA prispievajú k rozdielom medzi jednotlivými neurónmi a či ovplyvňujú neurovývojové alebo neurodegeneratívne ochorenia v neskoršom veku.
Všetky neuróny pochádzajú z tej istej DNA, avšak poškodenie a oprava DNA môžu prostredníctvom drobných mechanických zmien spôsobiť malé genetické rozdiely medzi jednotlivými neurónmi. Časť tejto histórie môže byť zapísaná priamo v samotnom genóme.
Zdroje: MUNI, Science Daily
(RR)
