Элемент неожиданности Understand article
Перевод: Надежда Волкова. Изучение радиоактивного углерода помогает ученым понять, как нейронам удается оставаться стабильными, не теряя способности к…
30 октября 1961 года грибообразное облако высотой в 7 раз выше Эвереста поднялось в небо над Новой Землёй, архипелагом в Баренцевом море. Так показала себя советская 50-мегатонная Царь-Бомба, самая большая когда-либо взорванная атомная бомба. Её ударная волна выбила окна на расстоянии 900 километров от места взрыва, но её политический эффект был еще сильнее – благодаря этой бомбе началось обсуждение международного запрета на наземные ядерные испытания. Сегодня, более чем полвека спустя, ученые из Европейской Лаборатории Молекулярной Биологии (EMBL) в Гейдельберге (Германия) используют светлую сторону этого разрушительного периода Холодной войны: радиоактивный углерод, безобидный компонент выпадающих после испытаний осадков, позволяет глубже заглянуть в работу человеческого мозга.
Исследователь Кюн-Мин Но, работающая в EMBL, и ее коллеги из США используют радиоактивный углерод для изучения того, как нашим нейронам – самым долгоживущим клеткам нашего организма – удается оставаться стабильными, но достаточно гибкими, чтобы позволять нам учиться, помнить и думать в течение всей жизни. Ученые надеются, что их исследование также прольёт свет на такие дефекты развития мозга, как аутизм, и, возможно, на некоторые заболевания, например, болезнь Альцгеймера.
Права на изображение принадлежат фотолаборатории EMBL (Мариетта Шупп)
Радиоуглеродные записи
Углерод – основной элемент всех биологических молекул в нашем теле. Почти весь углерод в мире существует в “регулярной” форме, которая называется углерод-12. Радиоактивный углерод – средне-радиоактивная его форма, он немного тяжелее и в природе существует в сравнительно небольших количествах. Наземные ядерные испытания, проводимые с 1945 по 1963 год, подняли уровень произведённого человеком радиоактивного углерода гораздо выше естественной нормы в атмосфере. Таким образом он проник в пищевые цепочки по всему миру – то есть люди, жившие в эту эпоху, несут в своих телах больше радиоактивного углерода, чем обычно. Когда атмосферный уровень углерода-12 снизился обратно к нормальному, их тела начали постепенно заменять захваченный углерод природным в процессе естественного обновления клеток.
Но разные части тела обновляются с разной скоростью, что позволяет ученым понять, какие клетки и как часто обновляются при помощи измерения уровня радиоактивного углерода в тканях людей, живших во времена атомных испытаний. Десять лет назад команда ученых из Стокгольма и США использовали этот метод, чтобы показать, что нейроны в некоторых частях мозга обновляются в течение жизни, а в других – не меняются с самого рождения и имеют тот же возраст, что и их обладатель. В данный момент Кюн-Мин и ее коллеги переняли этот подход, чтобы попытаться разгадать одну из самых больших загадок нейробиологии: как же эти нейроны-долгожители выживают, сохраняя возможность адаптироваться?
Разгадывая секреты клетки
Часть ответа заключается в ДНК нейронов. Эта ДНК содержит гены, позволяющие нейронам создавать крохотные молекулярные машины – белки – при помощи которых они функционируют. Несмотря на то, что почти все клетки нашего тела содержат один и тот же набор генов, разные типы клеток используют разные подгруппы этих генов для выполнения своей специализированной функции. Это означает, что клетке необходимо поддерживать какие-то определенные гены в активном состоянии, а остальные – в неактивном.
Один из способов контролировать активность генов – это изменение свёртки ДНК внутри клетки. Вместо того, чтобы плавать спутанным клубком, ДНК намотана на белки, называемые гистонами, подобно нитке на многочисленных катушках. Неактивная ДНК свёрнута очень туго, а ДНК с активными генами слегка размотана, что даёт доступ клеточному аппарату чтения генов. Помимо этого, огромная армия других белков вовлечена в регуляцию активности генов посредством взаимодействия с гистонами. Кюн-Мин впервые заинтересовалась биологией гистонов во время работы над своей диссертацией в медицинском колледже Альберта Эйнштейна в Нью Йорке, США. Изучая эффекты инсульта в мозгу крыс, она обнаружила белок, который менял форму гистонов в нейронах, пораженных инсультом. После этого она принялась исследовать гистоны в клетках, которые совсем перестали делиться – и разумным выбором для этого были нейроны. Науке уже было известно, что активно делящиеся клетки используют регулярные, или «канонические» гистоны, тогда как клетки, берущие паузу перед началом следующего раунда деления, содержат другой вид гистонов, известный как «гистоновые варианты». Однако о гистонах клеток, переставших делиться, почти ничего не было известно.
Гистоновые варианты считаются связанными с активными участками ДНК, и могут иметь особую роль в регуляции поведения генов. Такой вид контроля может быть особенно важным для долгоживущих нейронов, которые, вдобавок к необходимости выживать в условиях интенсивной эксплуатации, вынуждены очень динамично менять активность своих генов в ответ на постоянные изменения окружающей среды. Во время своей постдокторантуры в Университете Рокфеллера, США, Кюн-Мин и её коллеги обнаружили, что нейроны, прекратившие делиться, и в самом деле имели гистоновые варианты в своей ДНК. Но чтобы полностью понять, почему, им пришлось сначала выяснить, когда: появились ли все гистоновые варианты за раз, или постепенно заменили исходные?
Углеродное датирование
Чтобы ответить на этот вопрос в человеческих клетках, команда обратилась к радиоуглероду. Метод, известный как ускорительная масс-спектрометрия, позволил им увидеть разницу между гистоновыми вариантами, содержащими обычный углерод и его радиоактивный изотоп. Изучая посмертные образцы тканей людей, живших во времена ядерных испытаний, они обнаружили, что гистоновые варианты, судя по всему, появляются в человеческих нейронах незадолго до пубертатного периода. «Это не постепенный процесс, — говорит Кюн-Мин. – Быстрая и отлаженная замена канонических гистонов происходит в ранней фазе человеческого развития, и наш мозг сохраняет свой статус-кво в течение всей жизни.»
По словам исследователей, исходя из этого можно предположить, что замена гистонов – это существенный этап развития мозга ребёнка, совпадающий с моментом, когда происходят самые активные процессы обучения. Более того, последние исследования в области генетики выявили целый ряд мутаций, ассоциированных с последствиями неправильного развития мозга, такими как аутизм и затруднения в обучении. «Эти наблюдения порождают некоторые весьма философские вопросы. Например, что вообще означает эта замена гистонов в процессе развития?»
С момента прихода в EMBL в ноябре 2014, Кюн-Мин работала над этими вопросами, выращивая нейроны в своей лаборатории и проводя серии генетических экспериментов, чтобы понять значение гистонов. Легче сказать, чем сделать: одно из ключевых препятствий для изучения биологии нейронов – это получение достаточного количества клеток нужного типа. Поэтому команда Кюн-Мин использует незрелые клетки мышиных эмбрионов и манипулирует с ними, чтобы те сформировали взрослые нейроны в чашке Петри. Кроме того, они готовятся начать работу на клетках, известных как человеческие иПСК (индуцированные плюрипотентные стволовые клетки), которые они тоже намерены превратить в нейроны. Эти клетки не берут из человеческих эмбрионов, их получают из клеток взрослого человека путем конвертации в более раннюю стадию.
Эффекты модификаций
Чтобы изменить поведение гистонов в лабораторных нейронах, команда Кюн-Мин нацелилась применить новую технологию CRISPRw1. Она позволит ученым «редактировать» содержимое генов в клетке, изменяя гистоны в произошедших от иПСК нейронах. Эти изменения, или мутации, будут основаны на генных модификациях, для которых уже доказана связь с пороками развития мозга. Исследования иПСК позволят ученым изучить влияние этих мутаций на поведение нейронов.
«Хотя работа ещё только начинается, более глубокое понимание биологии гистонов в нейронах может помочь исследованиям других состояний, включая нейродегенеративные заболевания навроде болезни Альцгеймера», — говорит Кюн-Мин.
Лекарства, нацеленные на клеточные механизмы, изменяющие гистоны, сейчас применяются при лечении некоторых видов рака, таких как Т-клеточная лимфома, и дальнейшие исследования в этой области могут предоставить новые данные о том, как манипулирование гистонами может повлиять на клетку. Одна из идей, обсуждаемых сейчас, состоит в том, что болезнь может быть результатом неправильной свёртки ДНК вокруг её гистонов. «Если вы начнёте разматывать эту спутанную нить, клетка попытается найти способ снова упаковать её в правильном виде, — говорит Кюн-Мин. – Возвращение клетки в правильное упорядоченное положение может стать новым способом терапии.»
Благодарности
Оригинальная версия данной статьи была опубликована в EMBLetc, журнале Европейской Лаборатории Молекулярной биологии, в весеннем выпуске 2015 года.
Web References
- w1 – Узнайте больше о технологии редактирования генов CRISPR на сайте EMBL.
Institutions
Review
Эта потрясающая статья соотносит исторические события с современными исследованиями в области биологии клетки, а также описывает профессиональный путь молодого учёного. Рассуждение о пользе радиоизотопов, таких как радиоуглерод, в биофизике и молекулярной биологии может стать темой для обсуждения на уроке продвинутой физики или биологии, или на занятии по химии среднего уровня.
Возможные вопросы на понимание и размышление:
- Что такое радиоизотопы, и как их можно использовать для исследований?
- Опишите структуру и функцию белков-гистонов в клетке.
- Какова связь между ДНК и белками-гистонами?
Терри Майерс, Академия Банбридж, Ирландия