Streszczenie: Metylacja DNA reguluje ekspresję PKMzeta, genu zaangażowanego w tworzenie pamięci długotrwałej. Obniżone poziomy PKMzeta w mózgu są związane z chorobą Alzheimera i innymi zaburzeniami deficytu pamięci.

Źródło: FAPESP

Wiadomo, że białko PKMzeta jest związane z tworzeniem pamięci długotrwałej. Zaburzenia neurologiczne, takie jak choroba Alzheimera, a także depresja i starzenie się, korelują ze zmniejszonym poziomem tego białka w mózgu.

Naukowcy związani z instytucjami w Brazylii i Stanach Zjednoczonych odkryli teraz mechanizm, który pomaga wyjaśnić powiązanie i może utorować drogę przyszłym innowacjom medycznym.

Ich badanie opisano w artykule opublikowanym w czasopiśmie Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Mechanizmy regulacji genów.

Aby zrozumieć mechanizm, naukowcy wykorzystali epigenetykę, naukę o tym, jak bodźce środowiskowe aktywują lub hamują ekspresję genów bez zmiany sekwencji DNA.

Często stosowaną przez badaczy techniką epigenetyczną jest wyciszanie genów poprzez metylację DNA, w której grupy metylowe są dodawane do określonej sekcji genu, aby zapobiec jego transkrypcji. Na przykład metylacja sekwencji DNA genu może wyłączyć gen, aby nie tworzył białka.

W artykule autorzy przypominają, że w ośrodkowym układzie nerwowym białko CREB1 normalnie wiąże się z sekcją genu PKMzeta tak, że wyraża białko o tej samej nazwie. Badanie wykazało jednak, że hipermetylacja tego fragmentu genu skutkowała znacznie niższymi poziomami białka PKMzeta.

„Nasza analiza wykazała, że ​​metylacja DNA reguluje ekspresję tego genu, który odgrywa rolę w wielu patologiach” – powiedziała Deborah Schechtman, ostatnia autorka artykułu i profesor w Instytucie Chemii Uniwersytetu w São Paulo (IQ-USP) w Brazylii .

„Wierzę, że dobrze wykonana podstawowa nauka dostarcza istotnych informacji do opracowywania leków i zaawansowanych terapii”.

Badanie było wspierane przez FAPESP w ramach pięciu projektów (19/06982-6, 15/24046-5, 15/17812-3, 20/13929-1 i 20/16204-8).

Wewnątrz DNA

Dimitrius Pramio, pierwszy autor artykułu i doktorant w dziedzinie biochemii w IQ-USP, opisał materiały użyte w badaniu, z których część uzyskano dzięki partnerstwu z Yale University i SUNY Upstate Medical University w USA. „Materiały obejmowały bazy danych, komórki ludzkie wyizolowane od pacjentów lub zmodyfikowane w laboratorium oraz komórki zwierzęce” – powiedział.

Przeprowadzono kilka testów, aby sprawdzić, czy metylacja genu PKMzeta doprowadziłaby do spadku poziomu wytwarzanego przez siebie białka, stosując leki zakłócające metylację DNA i technikę edycji genów CRISPR. W tym przypadku zmiany wprowadzone w genie PKMzeta uniemożliwił prawidłowe wiązanie białka CREB1. „W rezultacie produkcja białka PKMzeta rzeczywiście spadła” – powiedział Schechtman.

Wyniki potwierdziły, że omawiany gen wymaga CREB1 do uruchomienia produkcji białka PKMzeta i że metylacja DNA wyjaśnia spadek poziomu białka.

Autorzy przeanalizowali również rolę innych genów w ośrodkowym układzie nerwowym, aby sprawdzić, czy są one hamowane przez ten proces hipermetylacji DNA, który uniemożliwiał wiązanie CREB1. „Chcieliśmy dowiedzieć się, czy proces ten zachodzi bardziej globalnie” – powiedział Schechtman.

Jeśli ten wzorzec metylacji DNA wpływa na ekspresję innych genów poza PKMzeta, musi to być szczególnie istotne dla zmian w mózgu, które mogą być związane z patologiami, a autorzy wykazali, że mechanizm ten nie ogranicza się do białka PKMzeta.

Następne kroki

Na podstawie tego badania zasugerowało się kilka rozwiązań. Jednym z nich byłaby analiza innych genów dotkniętych tym procesem metylacji DNA, który hamuje wiązanie CREB1, w celu sprawdzenia, jaką rolę odgrywają w organizmie, a także ich ewentualnego związku z chorobami.

Inną możliwością byłaby próba zrozumienia, co właściwie robi białko PKMzeta w ośrodkowym układzie nerwowym. „Wiemy, że jest to związane z pamięcią, ale jak to działa w szczegółach? To istotne pytanie” – powiedział Schechtman.

Dla Pramio ważne jest również przetestowanie mechanizmu w bardziej precyzyjnych modelach. Na przykład można analizować określone regiony mózgu, podobnie jak zwierzęce modele chorób, takich jak choroba Alzheimera i depresja.

„Inne badania wykazały, że stosowanie niektórych leków przeciwdepresyjnych w zwierzęcych modelach depresji przywraca ekspresję genu PKMzeta kiedy jest hamowany, ale nie badali metylacji DNA” – powiedział.

Można również zbadać inne warunki. Schechtman, na przykład, pracuje nad przewlekłym bólem i istnieje możliwość, że gen PKMzeta może być zaangażowany w takie warunki dzięki udziałowi w przebudowie synaptycznej neuronów. „W badaniu pojawiło się wiele pytań i hipotez” – powiedziała.

Zdaniem Pramio postęp w tych kierunkach badawczych może przyczynić się w przyszłości do opracowania nowych metod leczenia, co byłoby szczególnie ważne w przypadku depresji i choroby Alzheimera, biorąc pod uwagę wyzwania stawiane lekarzom przez te zaburzenia.

O tym wiadomości z badań nad genetyką i pamięcią

Autor: Heloiza Reinert
Źródło: FAPESP
Kontakt: Heloisa Reinert – FAPESP
Obraz: Obraz jest w domenie publicznej

Orginalne badania: Otwarty dostęp.
„Metylacja DNA regionu promotora w miejscu wiązania CREB1 jest mechanizmem epigenetycznej regulacji PKMζ specyficznego dla mózgu”, Deborah Schechtman i in. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Mechanizmy regulacji genów

Abstrakcyjny

Metylacja DNA regionu promotora w miejscu wiązania CREB1 jest mechanizmem epigenetycznej regulacji specyficznego dla mózgu PKMζ

Kinaza białkowa M zeta, PKMζ, jest kinazą wzbogaconą w mózg z dobrze scharakteryzowaną rolą w długotrwałym wzmacnianiu (LTP), zależnym od aktywności wzmacnianiu synaps zaangażowanych w tworzenie pamięci długotrwałej. Jednak niewiele wiadomo na temat mechanizmów molekularnych, które utrzymują specyficzność tkankową tej kinazy. Tutaj scharakteryzowaliśmy czynniki epigenetyczne, głównie metylację DNA, regulujące ekspresję PKMζ w ludzkim mózgu.

The PRKCZ gen ma promotor w górę regulujący kinazę białkową C ζ (PKCζ) i wewnętrzny promotor kierujący ekspresją PKMζ. Region demetylowany, w tym kanoniczne miejsce wiązania CREB, znajdujące się na promotorze wewnętrznym, obserwowano jedynie w tkankach ludzkiego OUN.

Indukcja specyficznej dla miejsca hipermetylacji tego regionu spowodowała zmniejszenie wiązania CREB1 i obniżenie ekspresji PKMζ. Warto zauważyć, że miejsca wiązania CREB były nieobecne w górnym promotorze PRKCZ locus, co sugeruje specyficzny mechanizm regulacji ekspresji PKMζ.

Obserwacje te zostały potwierdzone przy użyciu systemu różnicowania ludzkich neuronów z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC). Wiązanie CREB1 na wewnętrznym promotorze wykryto tylko w zróżnicowanych neuronach, w których zachodzi ekspresja PKMζ.

Ten sam mechanizm epigenetyczny w kontekście miejsca wiązania CREB zidentyfikowano w innych genach zaangażowanych w różnicowanie neuronów i LTP. Dodatkowo w przypadku choroby Alzheimera zaobserwowano nieprawidłową hipermetylację DNA na wewnętrznym promotorze, korelującą ze zmniejszoną ekspresją PKMζ w mózgach pacjentów.

W sumie przedstawiamy konserwatywny mechanizm epigenetyczny regulujący ekspresję PKMζ i inne geny wzmocnione w OUN z możliwymi implikacjami w różnicowaniu neuronów i chorobie Alzheimera.