The role of transposable elements in long-term memory formation

Full Text

Консолидация памяти – это процесс, посредством которого вновь сформированная и нестабильная память превращается в стабильную долговременную память (ДП) [1]. Нейробиологическая природа следа памяти (инграммы) в настоящее время остается спорной. Наиболее распространенная гипотеза синаптической пластичности (СП) заключается в хранении ДП в виде стабильных изменений синаптических связей, вызванных обучением. Зависящая от активности СП индуцируется в соответствующих синапсах во время формирования памяти и одновременно необходима для кодирования и хранения следов памяти, опосредованной областью мозга, в которой она наблюдается [2]. Считается, что синаптическая активность обеспечивает хранение информации и консолидацию памяти в головного мозге. Для этого необходим быстрый синтез мРНК в ядре и белков в синапсах [3]. Долговременное потенцирование (LTP – long-term potentiation) синаптической передачи признано клеточным механизмом обучения и хранения памяти [4].

В формирование ДП вовлечены различные гены, наиболее известным из которых является CREB (cAMP-responsive element binding protein). Мутации в гене CREB вызывают дефицит памяти у мышей [5]. Продукт гена CREB вместе с глюкокортикоидными рецепторами вовлечен во внутриклеточные механизмы влияния глюкокортикоидов на формирование ДП в гиппокампе [6]. В экспериментах на дрозофиле показана роль гена бета-катенина (CTNNB1) в консолидации ДП за счет воздействия на Wnt-сигнальные пути [7]. При исследовании здоровых людей определено влияние на ДП полиморфных вариантов генов дофаминергической системы: DAT1, DRD4, CNR1 [8]. Систематические обзоры накопленных в научной литературе данных показали стимулирующее влияние на развитие памяти кодирующих транскрипционные факторы генов NF-κB [9], Zif268, XBP1, Srf, Npas4, Foxp1, Crtc1, c-Rel [5]. Помимо необходимых для консолидации памяти генов, к которым относится также NR2B (кодирует субъединицу инотропного глутаматного рецептора N-метил-d-аспартата), важное значение в регуляции ДП имеют гены-супрессоры памяти, к которым относят AIM2, ATF4, BChE, Bec1, CCR5, Cdk5, crtl1, Diap1, Dicer1, DFF45, GABAaB3, GABAARα4, Gabra 4, Galectin-3, GAT1, QR2, np65, Hcn1, Hdac2, Mef2, Kvβ1.1, PDE1b, Paip2a, Pkr, GCN2, IRS2, RGS14, RARalpha, p75NTR, PDE4A, Ogg1, PERK, RPTPsigma, Piwi1, Piwi2, S100b, TLCN, Pde4d, Pde8b, 11b-HSD1 [10]. Исследование генетических механизмов формирования ДП перспективно для возможного воздействия на них с целью улучшения памяти в норме и при нейродегенеративной патологии. В данном отношении необходим поиск наиболее значимых путей с исключением спорных моментов в отношении объяснения формировании ДП. Для коррекции памяти подходящими инструментами являются эпигенетические факторы, влияющие на экспрессию специфических генов и носящие обратимый характер.

К эпигенетическим факторам относятся метилирование цитозина в молекуле ДНК, модификации гистонов и РНК-интерференция с участием некодирующих РНК (нкРНК). Метилирование ДНК под влиянием различных ДНК-метилтрансфераз преимущественно подавляет экспрессию генов. На данный процесс влияют ДНК-деметилазы (которые устраняют метки 5-метилцитозина) и другие белки, такие как Gadd45b (способствует деметилированию) [5]. Мыши с нокаутом гена Gadd45d проявляли нарушенную память о страхе [11]. Показана также роль в регуляции памяти метилцитозиндиоксигеназ Tet (Ten-eleven translocation). При старении в зубчатой извилине гиппокампа наблюдается снижение экспрессии Tet2, повышение которой способствует восстановлению памяти (контекстуальной обусловленности страха у мышей) [12]. На формирование памяти влияют модификации гистонов (H2BK120ub, H3K9me2, H3K36me3, H3K27me3, H3K9me3, H3K4me3, H3K14ac, H3K9ac) и специфические белки, вызывающие эти модификации (UTX, SUV39H1, Sp3, L3MBTL1, KMT2B, KMT2A, HCAC7, HDAC4/5, HDAC3, HDAC1, G9a/GLP, Chd1) [5]. Метилирование ДНК и модификации гистонов в специфических локусах зависят от влияния микроРНК, которые являются гидами, узнающими комплементарные последовательности не только мРНК, но и молекулы ДНК в механизме РНК-зависимого метилирования ДНК [13]. Данные молекулы наиболее перспективны для возможной коррекции памяти в норме и патологии.

Оспаривание роли синаптической пластичности в консолидации памяти

В ряде исследований получены данные, свидетельствующие о консолидации ДП без участия синаптической пластичности. Например, было выявлено и подтверждено, что ДП в виде распознавания текстурированной поверхности для определения наличия пищи сохраняется у планарии после удаления головы и последующей регенерации, включая головной мозг. Планарии проявляют привыкание к окружающей среде, сохраняя об этом ДП не менее 14 дней, что достаточно для регенерации головного мозга [14]. Кокультуры двигательных и сенсорных нейронов брюхоногого моллюска, морского зайца Aplysia, тренировали с интервальными импульсами серотонина, который запускал долговременную сенсибилизацию. Блокада реконсолидации приводила к тому, что количество пресинаптических связей возвращалось к исходному значению до тренировки. Однако окончательная синаптическая структура не была достигнута. При этом ДП для сенсибилизации скрыто сохранялась после ее очевидного устранения анти-мнемоническими препаратами, которые стирают связанный с обучением рост синапсов [15].

В рамки гипотезы СП не укладываются также следующие факты. У насекомых во время метаморфоза происходит респецификация нейронов, способствующая общей реорганизации нервной системы. Многие вновь образованные нейроны в областях зрительной и хемосенсорной обработки головного мозга включаются в личиночную нервную систему. При этом происходит реорганизация морфологии дендритов и изменение взаимосвязей между нейронами. У мотылька Manduca sexta на стадии гусеницы формировали память о необходимости избегать специфический запах, которая сохранялась в течение метаморфоза (с реорганизацией синапсов) и определялась у зрелых мотыльков [16]. Сходные данные получены на других животных. При помощи клеточной маркировки, зависящей от обучения, было определено увеличение синаптической силы и плотности дендритных шипов, особенно в консолидированных клетках энграммы памяти. Эти свойства отсутствовали в клетках энграмм при амнезии, вызванной ингибитором синтеза белка, однако прямая оптогенетическая активация этих клеток приводила к восстановлению памяти, что коррелировало с сохранением связей, специфичных для клеток энграммы. Мышей обучали памяти контекстуального обуславливания страха, после чего животным вводили ингибитор синтеза белка анизомицин, нарушающий консолидацию ДП. На следующий день обученные мыши не проявляли страха в тренировочной камере. Оптическая стимуляция восстанавливала память о страхе у мышей при реактивации клеток энграммы в отсутствие синаптических изменений [1].

В связи с вышеизложенными фактами о возможности сохранения ДП без участия СП актуально создание новой гипотезы, объясняющей механизмы консолидации ДП. Наиболее вероятна роль эпигенетических факторов, поскольку важной составной частью обучения и процесса запоминания являются модификации хроматина, а изменения активности влияющих на них ферментов влияют на когнитивные способности человека и животных [17]. Действительно, в исследованиях на крысах воздействие ингибитора ДНК-метилтрансферазы (DNMT – DNA methyltransferase) разрушало полностью консолидированную память о страхе через один месяц после контекстуального сохранения страха [18]. В экспериментах на мышах было показано, что приобретение и поддержание кратковременной памяти и ДП требуют изменений в модификации хроматина в нейронах и в других клетках головного мозга [17]. Систематический обзор научной литературы показал, что усиление ацетилирования гистонов за счет манипулирования активности специфической изоформы ацетилтрансферазы гистонов (HDAC – Histone AcetylTransferase) и DNMT в нейронах ограничивает консолидацию памяти [19].

Причинами эпигенетических изменений при формировании ДП могут быть запрограммированные механизмы активации транспозонов (мобильных генетических элементов (МГЭ)), являющихся драйверами эпигенетической регуляции и управления экспрессии генов в онтогенезе [20]. Рассмотрение роли МГЭ в формировании ДП может объединить гипотезу ядерного кодирования информации на уровне модификации хроматина (за счет воздействия на эпигенетические факторы) и на уровне ДНК (за счет инсерций МГЭ в геном) с гипотезой синаптической пластичности, поскольку продукты транскрипции МГЭ являются переносчиками информации через синапсы при формировании памяти [21, 22]. В 2022 г. была опубликована основанная на РНК теория естественных универсальных вычислений, которая могла бы дополнить гипотезу СП [23]. Однако компьютерные программы неэффективны без знаний молекулярных механизмов, лежащих в основе консолидации памяти, поскольку РНК являются лишь инструментами в сложной системе ядерного кодирования. Основными же источниками РНК и эпигенетической информации, выражающейся в ДП в головном мозге, могут служить МГЭ. Согласно проведенным проектам FANTOM и ENCODE, 98% всех последовательностей генома транскрибируются с образованием функциональных нкРНК [24], которые образуются непосредственно из транскриптов МГЭ [25] или произошли от них в эволюции [26, 27]. Согласно подробному анализу ядерной ДНК человека, 69% всех ее последовательностей можно отнести к МГЭ и образованным из них повторам [28]. Более того, многие белок-кодирующие гены [29], в том числе гены транскрипционных факторов, а также сайты связывания с ними [30] произошли в эволюции от МГЭ.

Исследования роли транспозонов в формировании памяти

МГЭ являются структурными элементами генома человека, способными перемещаться в нем за счет кодируемых собственными генами ферментов (автономные МГЭ) или белковых продуктов других МГЭ (неавтономные). В зависимости от способа транспозиции МГЭ классифицируют на два класса. К первому из них относят ретроэлементы (РЭ). Они перемещаются с помощью механизма “копирования и вставки” путем обратной транскрипции собственных РНК. Этот класс подразделяется на содержащие длинные концевые повторы (LTR – long terminal repeats) – LTR-РЭ и на не содержащие их – nonLTR-РЭ (автономные LINE (Long Interspersed Elements), неавтономные SINE (Short Interspersed Elements) и SVA (SINE-VNTR-Alu)). Ко второму классу относятся ДНК-транспозоны, которые перемещаются путем “вырезания и вставки” [20]. Ключевую роль в обучении и памяти играет гиппокамп, патологические изменения в котором наблюдаются при различных нейродегенеративных болезнях человека и при старении [31]. Зубчатая извилина гиппокампа является центром нейрогенеза человека и экспериментальных животных, включая крыс и мышей. В данной области в нейрональных стволовых клетках (НСК) в экспериментах на крысах были описаны активные перемещения LINE1, которые были предложены в качестве драйверов дифференцировки НСК в различные типы нейронов в связи с формированием соматического мозаицизма [32]. При исследовании головного мозга людей в двух независимых работах были доказаны перемещения LINE1 в НСК [33, 34].

У человека полногеномное профилирование Alu и LINE1 геномной ДНК из образцов мозжечка, лобной коры, субвентрикулярной зоны, зубчатой извилины и миокарда показало сотни соматических вставок каждой из этих тканей. Наибольшая концентрация инсерций РЭ была выявлена в зубчатой извилине гиппокампа [35], в которой количество новых инсерций наиболее активных LINE1 на одну клетку составляло в среднем 13.7. Транспозиции были обнаружены вблизи генов, необходимых для работы нейронов, что свидетельствует о влиянии этих инсерций на функционирование клеток [36]. Поскольку МГЭ являются высокочувствительными сенсорами генома на стрессовые воздействия [37] и на изменения внутренней среды в онтогенезе [20], логично предположить роль специфических активаций МГЭ в формировании памяти. Было доказано, что во взрослом головном мозге человека триггерами для экспрессии LINE1 в клетках гиппокампа являются стресс [38, 39], физические упражнения [40], прием кокаина [41], метамфетамина [42] и алкоголя [43].

Можно предположить, что в ходе эволюции использование РЭ в качестве инструментов для консолидации ДП было обусловлено значительным количеством и распространением МГЭ в геноме, что предполагает безграничное число их комбинаций со взаимодействием с произошедшими от них в эволюции белок-кодирующих генов [29], длинных нкРНК [26], микроРНК [27], транскрипционных факторов и сайтов связывания с ними [30]. Подобно VDJ рекомбинации в иммунной системе, сформированной благодаря ДНК-транспозонам, соматическая комбинация экспрессии генов под влиянием РЭ в головном мозге имеет возможности образования грандиозного разнообразия фенотипов нейронов [44]. ДНК-транспозоны составляют лишь 5% генома человека, тогда как LTR-РЭ занимают 10%, LINE1 – 17%, SINE1 – 10% [45]. Более того, ферменты РЭ могут быть использованы для создания ретрокопий белок-кодирующих генов [44].

Эксперименты на мышах показали, что воздействие новой среды приводит к увеличению количества двухцепочечных разрывов в нейронах многих областей головного мозга, особенно в зубчатой извилине гиппокампа. Оптогенетическая стимуляция нейронов полосатого тела также приводила к усилению двухцепочечных разрывов ДНК в стимулированных клетках [46]. Источниками двухцепочечных разрывов ДНК могут служить МГЭ в ходе их транспозиций в новые локусы генома [47], что позволяет предположить их роль в реакциях клеток гиппокампа на воздействие среды с формированием ДП. Действительно, в экспериментах на мышах при ингибировании LINE1 в гиппокампе была показана роль РЭ в консолидации ДП за счет геномного мозаицизма. Для этого мышей помещали на освещенную сторону, после чего разрешали перейти на темную сторону камеры, где били током. Память об обучении отражалась в увеличении латентности мыши при переходе в темную сторону камеры. Введение ламивудина (который ингибирует обратную транскриптазу LINE1) в гиппокамп сразу и через один час после обучения не влияло на ДП. Однако через 72 ч память значительно ухудшалась [48].

На мышах были проведены также исследования реконсолидации контекстно-зависимой памяти о страхе. В камерах наблюдения путем измерения процента времени, затраченного на замирание в течение 5 мин, оценивалась память о страхе, далее образцы гиппокампа и префронтальной коры использовали для количественной RT-PCR мРНК LINE1-элементов. В результате была выявлена экспрессия мРНК LINE1 в гиппокампе и префронтальной коре при воспоминании о страхе. После реактивации памяти о страхе вводили ламивудин – реконсолидация памяти о страхе заметно подавлялась за счет ингибирования LINE1 [49]. Хотя активация РЭ в норме является основой для формирования памяти, их патологическая экспрессия может стать причиной нарушения ДП и развития нейродегенеративных болезней. Так, ингибитор обратной транскриптазы ламивудин в экспериментах на мышах P301S (смоделированных по болезни Альцгеймера (БА)) уменьшал типичные для таупатий гистопатологические признаки: фосфорилирование тау, воспаление, гибель нейронов, атрофию гиппокампа. Ламивудин ослаблял двигательные нарушения и улучшал кратковременную память. На линиях клеток HeLa была показана способность ламивудина подавлять инсерции LINE1 [50]. Ингибиторы обратной транскриптазы влияют также на активацию HERV-K при нейродегенерации [51]. У трансгенных мышей с нейродегенерацией [52] и в головном мозге пациентов с болезнью Альцгеймера [53, 54] патологическое накопление тау-белков ведет к прогрессирующей активации РЭ с возрастом. Посредниками данных изменений могут быть пиРНК, экспрессия которых при этом снижается, поскольку piРНК являются ингибиторами РЭ [51].

В экспериментах на дрозофиле показано, что транспозиции в головном мозге происходят среди связанных с памятью нейронов, в которых экспрессируются взаимодействующие с пиРНК белки Aubergine и Argonaute-3 и подавляющие экспрессию РЭ (потеря этих белков коррелирует с активацией РЭ). Секвенирование отдельных нейронов показало более 200 de novo вставок РЭ в нейронах, связанных с памятью [55]. Согласно данным консорциумов ENCODE и FANTOM, активность МГЭ зависит от типа клеток и влияет на экспрессию соседних генов. Наибольшее значение МГЭ имеют в регуляции работы головного мозга, в котором, по сравнению с другими тканями, обнаруживается наибольшее количество соматических ретротранспозиций. При этом МГЭ обеспечивают разнообразные адаптивные функции ЦНС. Они реагируют на воздействия стероидов, эпигенетических и средовых факторов, изменяя работу нейромедиаторных систем для приспособления к меняющимся средовым условиям [56]. Инсерции РЭ играют регуляторную роль не только для НСК, но и в позднюю фазу дифференцировки нейронов [2]. В результате этого формируется специфический характер экспрессии генов в нейронах, расположенных в определенных областях головного мозга [57].

Помимо LINE1 причиной функционального разнообразия нейронов головного мозга могут быть и другие РЭ, особенно неавтономные, нуждающиеся в ферментах LINE1 для своей экспрессии. Проведенные RT-qPCR и RNA-seq ядер отдельных нейронов показали экспрессию РЭ с их собственного промотора. Было выявлено, что SINE в гиппокампе мыши характеризуются профилями экспрессии, специфичными для типа клеток. Более того, в ответ на кратковременное воздействие на животных нового стимула SINE активировались в зубчатых гранулярных нейронах с течением времени, сходным с таковым для белок-кодирующих генов [58]. Полученные данные указывают на роль не только LINE1, но также SINE и, вероятно, других РЭ в формировании памяти, что свидетельствует о сложности процесса консолидации ДП, который представляет собой своеобразную тканеспецифическую кодировку, сформированную в ходе эволюции животных. О роли ERV в консолидации ДП свидетельствуют экспериментальные исследования на мышах, лишенных митохондриального противовирусного сигнального белка MAVS для стимулятора генов интерферона STING. У этих животных определено повышение экспрессии ERV, сопровождающееся значительным нарушением памяти, связанной с гиппокампом [45]. На клетках глиомы человека U251 было показано, что повышенная экспрессия гена env ретроэлемента HERV-w активирует BDNF (brain-derived neurotrophic factor) [59], который играет важную регуляторную роль в синаптической передаче и LTP в гиппокампе и других областях головного мозга для формирования различных форм памяти. Его эффекты опосредованы рецепторами тропомиозин-родственной киназы-В (TrkB), которые связаны с активацией путей фосфолипазы C-γ, фосфатидилинозитол-3-киназы и Ras/ERK. Белок BDNF регулирует транспорт мРНК вдоль дендритов и их активную трансляцию в синапсах, модулируя фазы инициации и элонгации белкового синтеза и воздействуя на специфические микроРНК [60].

При исследовании головного мозга дрозофилы [61] и отдельных клеток гиппокампа человека [31] было показано, что патологическая активация РЭ при старении является причиной нейродегенерации. Выявленные изменения отражают общие эпигенетические закономерности, лежащие в основе старения, когда, начиная с деления зиготы и до созревания организма, эволюционно запрограммированная последовательная активация специфических РЭ является основой для дифференцировки делящихся клеток [30]. Эволюционный отбор направлен на сохранение вида, что подразумевает эпигенетическую регуляцию до половозрелости, после чего отбор ослабевает, и активация РЭ становится в большей степени хаотичной, вызывающей патологические изменения, приводящие к старению и возраст-ассоциированной патологии, такой как злокачественные новообразования [62].

Роль произошедших от ретроэлементов генов в формировании памяти

Важную роль в ДП играет белок Arc (Activity-regulated cytoskeleton-associated protein), регулирующий СП в контроле сигнальных сетей при обучении, поведении и консолидации памяти. Транскрипция гена Arc активируется короткими поведенческими реакциями, в результате чего его мРНК транспортируется в область синапса дендрита, где из нее синтезируется белок на рибосомах [21, 22]. В 2006 г. компьютерный анализ показал, что ген Arc у человека произошел от РЭ Ty3/gypsy [63]. Структура белка Arc сходна с GAG (group-specific antigen) ретровирусов. Филогенетический анализ подтвердил, что ген Arc произошел от РЭ Ty3/Gypsy. Более того, Arc может формировать капсид-подобную структуру. Она инкапсулирует ретровирусные частицы мРНК гена Arc, которые загружаются во внеклеточные везикулы и транспортируются к нейронам и мышечным клеткам, передавая генетическую информацию и регуляторные сигналы по нейронным сетям. Так реализуется нейротрансмиссия генетической информации в форме мРНК [21, 22].

В экспериментах на дрозофиле было показано, что без переноса мРНК через личиночные нервно-мышечные соединения с мотонейрона на концевую пластинку мышцы происходит ослабевание синапсов [21]. Филогенетический анализ продемонстрировал возникновение гена Arc у дрозофилы также от РЭ [22]. У высших позвоночных N-область GAG-домена белка Arc приобрела гидрофобный связывающий карман, необходимый для канонической функции Arc по ослаблению возбуждающих синапсов. В экспериментах на мышах, с помощью иммунной изоляции Arc из головного мозга и масс-спектрометрии, было показано, что Arc GAG приобрел сайты фосфорилирования, которые резко меняют его синаптическую функцию и необходимы для LTP. Мутантный Arc, не способный фосфорилироваться, усиливает зависимую от метаботропных рецепторов депрессию в гиппокампе [64].

МГЭ в эволюции оказались источниками различных белок-кодирующих генов, некоторые из которых, помимо Arc, также могут принимать участие в формировании памяти [29]. Поскольку происхождение от МГЭ подразумевает наличие комплементарных нуклеотидных последовательностей, можно предположить, что регуляция этих белков находится под контролем эпигенетических сетей, в которые вовлечены МГЭ. Это связано с происхождением от МГЭ различных генов микроРНК (рис. 1) [27]. В геноме человека содержится более 30 белок-кодирующих генов, возникших в эволюции от HERV. К ним относится ген SIRH11/ZCCHC16, кодирующий ССНС тип белка цинковых пальцев, который проявляет высокую идентичность белку Gag ретроэлементов ERV. Данный ген играет роль в формировании ДП, поскольку делеция SIRH11/ZCCHC16 в экспериментах на мышах вызывает аномальное поведение, связанное с когнитивными способностями, включая рабочую память [65]. Участие белка Sirh11/Zcchc16 в формировании ДП в головном мозге обусловлено воздействием на норадренергическую систему. Филогенетический анализ показал, что ген SIRH11/ZCCHC16 выскоконсервативен у трех из четырех групп плацентарных (Euarchontoglires, Laurasiatheria и Afrotheria), но сильно мутировал у ленивцев и броненосцев надотряда млекопитающих Xenarthra. Это свидетельствует о роли гена в эволюции головного мозга различных животных [66]. От GAG эндогенных ретровирусов произошел ген PEG10, белковый продукт которого взаимодействует с ATXN2 и ATXN10 в стрессовых гранулах и внеклеточных везикулах. Предполагается роль PEG10 в развитии головного мозга, поскольку его сверхэкспрессия изменяет миграцию нейронов [67].

 

Рис. 1. Схема роли МГЭ в эпигенетическом контроле произошедших от них генов. БКГ – белок-кодирующий ген; МГЭ – мобильный генетический элемент.

 

От GAG ретроэлементов Gypsy-like в эволюции произошел ген фактора транскрипции основного белка миелина MyEF-3 [68, 69], который экспрессируется в головном мозге, регулируя его развитие [70]. Гены фосфопротеинов ma-1/map-1, ma-3, экспрессия которых специфична для головного мозга, произошли от GAG ретроэлементов Ty3/Gypsy [68, 69]. Источником гена RTL1 (Retrotransposons Gag like 1)/PEG11 (Paternally expressed gene 11) в эволюции был ген Gag эндогенных ретровирусов. RTL1/PEG11 характеризуется импринтингом материнского аллеля с экспрессией в плаценте и при эмбриональном развитии. В постнатальном периоде ген экспрессируется в стволе головного мозга, голубом пятне, таламусе и гипоталамусе. У мышей с нокаутом отцовского аллеля (Rtl1m+/p–) определено снижение возбудимости нейронов голубого пятна, а также тревожное и депрессивное поведение, нарушение обучения, социального доминирования и памяти [71]. От обратной транскриптазы ERV произошел белок Prp8, являющийся компонентом сплайсосомы эукариот [72]. В экспериментах на дрозофиле была показана ключевая роль Pp8 в контроле экспрессии нейропептида FMRFa в нейронах [73]. Возникший от обратной транскриптазы ретроэлементов TERT [74] регулирует формирование пространственной памяти посредством модуляции развития нейронов в гиппокампе [75]. Поскольку у произошедших от РЭ белок-кодирующих генов имеются последовательности, комплементарные РЭ, вероятна роль РЭ в регуляции экспрессии этих генов при участии микроРНК и длинных нкРНК. Это обусловлено происхождением длинных нкРНК [26] и микроРНК [27] от МГЭ как в эволюции, так и непосредственно из транскриптов МГЭ [25, 76].

Взаимосвязь транспозонов с микрорнк в формировании памяти в норме

Около 70% всех микроРНК экспрессируются в головном мозге, при этом для каждой области характерен специфический паттерн активации микроРНК [77]. В нейронах гиппокампа индукция Dicer фактором BDNF приводит к усиленному синтезу miR-7a, -7b, -7f, -9, -107, -124a, -125b, -132, -134, -143, -375 [60]. Подобно генам, молекулы которых участвуют в регуляции памяти, микроРНК также можно подразделить на стимуляторы и супрессоры консолидации ДП. Согласно проведенному систематическому обзору научной литературы, к супрессорам ДП относятся miR-124, miR-134, miR-206; к стимуляторам – miR-9-3p, miR-92, miR-195, кластер miR-183/96/182 [78]. НкРНК обильно и специфически экспрессируются в головном мозге млекопитающих. Анализ секвенирования РНК с индукцией LTP в зубчатой извилине живых крыс через 30 мин, 2 ч и 5 ч после высокочастотной стимуляции перфорантного пути показал положительную и выраженную корреляцию динамической экспрессии длинных нкРНК с белок-кодирующими генами и ретроэлементами LINE1 и SINE [4].

Анализ базы данных о происхождении микроРНК от транспозонов MDTE DB [27] позволил нам определить 17 таких нкРНК (табл. 1), участвующих в механизмах формирования памяти. Так, возникшая от LINE2 [27] miR-1264 регулирует СП нейронов гиппокампа [79], miR-151 (произошедшей от LINE2 [27]) участвует в формировании контекстуальной памяти о страхе в гиппокампе. Люциферазный репортерный анализ продемонстрировал, что miR-151 нацелена на белок APH1a, ключевой фактор активности γ-секретазы [80]. Биоинформационный анализ показал, что miR-151 регулирует синаптическую реорганизацию и транскрипцию в зубчатой извилине гиппокампа головного мозга, участвуя в LTP [81]. Повышенная экспрессия miR-192, произошедшая от LINE2 [27], восстанавливает когнитивные нарушения и нервную функцию у мышей посредством Fbln2-опосредованного сигнального пути TGF-β1 [82].

 

Таблица 1. Произошедшие от МГЭ микроРНК, участвующие в формировании памяти в норме

№	МикроРНК	Транспозон-источник	Роль микроРНК в консолидации памяти [ссылка]
1	miR-1264	LINE2	регулирует СП нейронов гиппокампа [79]
2	miR-151	LINE2	регулируют контекстуальную память о страхе [80] и СП в зубчатой извилине гиппокампа [81]
3	miR-192	LINE2	способствует когнитивным функциям за счет воздействия на Fbln2-опросредованный сигнальный путь TGF-β1 [82]
4	miR-211	LINE2	регулирует миграцию и дифференцировку нейронов [83]
5	miR-224	MER135	регулирует формирование котекстуальной памяти [85]
6	miR-31	LINE2	способствует LTP, улучшает когнитивные процессы [86]
7	miR-325	LINE2	ингибирует сигналы Nupr1 и C/EBPβ/IGFBP5 [88]
8	miR-326	hAT-Tip100	снижает экспрессию эндогенного белка Arc в ответ на обработку BDNF [89], регулирует гены, участвующие в СП [90], подавляет апоптоз нейронов [91]
9	miR-335	MIR	модулирует пространственную память и СП [92]
10	miR-384	Dong-R4	поддерживает зависимую от синтеза белка LTP [93]
11	miR-421	LINE2	способствует музыкальной памяти [94]
12	miR-4504	LINE1	модулирует метаболизм амилоида [95]
13	miR-4508	SINE	в экзосомах НСК участвует в формировании памяти [96]
14	miR-466	LINE1	в экзосомах участвуют в связях нейронов с астроглией [97]
15	miR-495	MaLR	участвует в формировании памяти в зубчатой извилине [99]
16	miR-584	hAT-Blackjack	регулирует BDNF, p-TrkB в формировании памяти [100]
18	miR-6842	SINE/MIR	участвует в когнитивных функциях головного мозга за счет регуляции экспрессии SLC6A1, CHRNA7 [102]

 

Анализ микрочипов показал, что miR-211 (произошла от LINE2 [27]) участвует в регуляции миграции и дифференцировки нейронов [83], что необходимо для формирования ДП. В экспериментах на мышах подтверждена роль miR-211 в формировании нейронов [84]. От ДНК-транспозона MER-135 произошла miR-224 [27], мишенью которой является 3ʹUTR мРНК гена NPAS4. Данная микроРНК экспрессируется из интрона гена GABRE (GABAA рецептор эпсилон) в гипоталамусе и среднем мозге. NPAS4 – это фактор транскрипции, экспрессирующийся специфически в головном мозге и регулирующий гены тормозных синапсов для контроля гомеостатического баланса возбуждения и торможения в нейронах. Данный белок необходим для нормального социального взаимодействия и формирования контекстуальной памяти у мышей [85].

В экспериментах на мышах экспрессия произошедшей от LINE2 miR-31 [27] коррелировала с LTP [86]. Уровень данной микроРНК значительно снижен в гиппокампе и префронтальной коре у старых крыс по сравнению с контрольными молодыми [87]. У крыс miR-325, произошедшая от LINE2 [27], предотвращала индуцированное севофлураном ухудшение обучения и памяти путем ингибирования передачи сигналов Nupr1 и C/EBPβ/IGFBP5 [88]. В первичных культурах нейронов гиппокампа крысы эктопическая экспрессия miR-326 (произошедшая от ДНК-транспозона hAT-Tip100 [27]) снижала экспрессию эндогенного белка Arc в ответ на обработку BDNF [89]. В гиппокампе крыс была показана роль miR-326 в регуляции генов, важных для СП и развития НСК, определено повышение ее уровня к 14-му дню постнатального развития [90]. На мышах было выявлено снижение фосфорилирования тау-белка и апоптоза нейронов под влиянием miR-326 путем ингибирования сигнального пути JNK за счет нацеливания на VAV1 [91]; miRNA-335, возникшая от SINE-MIR [27], модулировала пространственную память и СП гиппокампа [92].

От LINE/Dong-R4 произошла miR-384 [27], необходимая для зависимого от синтеза белка поддержания LTP [93]. Изучение влияния музыки на организм человека показало повышенный уровень miR-421, произошедшей от LINE2 [27], в группе людей с высокими музыкальными способностями [94]. Оценка функционального влияния генов и микроРНК на метаболизм APP (Amyloid Precursor Protein) показала, что белок FERMT2 (Kindlin-2) напрямую взаимодействует с APP, модулируя его метаболизм. Экспрессию FERMT2 подавляет miR-4504 [95] (возникла от LINE1 [27]). В экзосомах НСК выявлены повышенные концентрации miR-4508 [96], произошедшей от SINE/MIR [27], и miR-466 (произошедшая от LINE1 [27]), которые участвуют в связях нейронов с астроглией [97]. Это свидетельствует о возможной роли данных микроРНК в формировании ДП, поскольку продукты таких экзосом участвуют в восстановлении памяти [98].

Повышенные уровни miR-495, произошедшей от ERVL [27], в экспериментах на крысах определены в зубчатой извилине при внутричерепной стимуляции, облегчающей у них обучение и память [99]. МикроРНК miR-584 участвует в регуляции памяти за счет ингибирования экспрессии BDNF, p-TrkB/TrkB и стимуляции Каспазы-3 [100]. MiR-584 произошла от ДНК-транспозона hAT-Blackjack [27]. В экзосомах плазмы крови пожилых людей снижается уровень miR-6842 (произошла от SINE/MIR [27]), которая подавляет экспрессию SLC6A1 и CHRNA7, что может служить одним из факторов изменения памяти при старении [101].

Ассоциация произошедших от транспозонов микрорнк при болезнях с нарушением памяти

Перспективы исследований роли МГЭ в формировании памяти связаны с возможностью лечения заболеваний центральной нервной системы с нарушением памяти, таких как БА [102, 103], депрессия [82], рассеянный склероз [104], болезнь Паркинсона [105]. В связи с этим был проведен анализ литературных данных о роли произошедших от транспозонов микроРНК [27] в развитии данных болезней (табл. 2). В результате выявлено, что для БА характерны повышенные уровни 16 возникших от транспозонов микроРНК: miR-1202 (произошла от LINE1) [106], miR-1246 (от ERVL) [107], miR-151 (от LINE2) [108], miR-211 (от LINE2) [109], miR-28 (от LINE2) [110, 111], miR-320c (от LINE2) [112], miR-326 (от ДНК-транспозона hAT-Tip100) [113], miR-335 (от SINE/MIR) [114], miR-3646 (от SINE/MiR) [115], miR-378a (от SINE/MIR) [116], miR-384 (от LINE/Dong-R4) [117], miR-4504 (от LINE1) [95], miR-545 (от LINE2) [118], miR-566 (от SINE/Alu) [119], miR-603 (от ДНК-транспозона TcMar-Mariner) [120], miR-659 (от LINE2) [102].

У пациентов с БА определено снижение экспрессии 20 произошедших от МГЭ микроРНК: miR-1271 (источник – LINE2) [121], miR-192 (LINE2) [122], miR-31 (LINE2) [123, 124], miR-3199 (LINE2) [125], miR-3200 (ERV-L) [108], miR-325 (LINE2) [126], miR-340 (DNA-TE/TcMar-Mariner) [127], miR-342 (SINE/tRNA-RTE) [128], miR-4286 (LTR/ERVL) [106], miR-4422 (LTR/Gypsy) [129], miR-4487 (LINE1) [130], miR-4772 (LINE1) [102], miR-502 (LINE2) [108], miR-511 (LINE1) [131], miR-576 (LINE1) [132, 133], miR-6087 (LINE1) [134], miR-619 (LINE1) [135], miR-664 (LINE1) [136], miR-708 (LINE2) [137, 138], miR-885 (SINE/MIR) [139].

При болезни Паркинсона происходит повышение экспрессии miR-585 (произошла от ERV-L) [140], miR-4317 (от SINE/MIR) [141] и miR-6088 (SINE/Alu) [142], снижение – miR-769 (от LINE/CR1) и miR-4293 (от SINE/tRNA) [141]. При депрессии определено снижение уровней miR-192 (источник – LINE2) [82], miR-625 (LINE1) [143]. У пациентов с рассеянным склерозом выявлено снижение экспрессии происходящих от ТЕ miR-3200 [144], miR-652 [145], повышение – miR-942 [145].

Заключение

Рассмотрение роли МГЭ в формировании ДП может объединить гипотезу ядерного кодирования информации на уровне модификации хроматина (за счет воздействия на эпигенетические факторы) и на уровне ДНК (за счет инсерций МГЭ в геном) с гипотезой СП, поскольку продукты транскрипции эндогенных ретровирусов являются переносчиками информации через синапсы при формировании памяти. Описаны работы, подтверждающие участие МГЭ и происходящих от них белок-кодирующих генов и микроРНК в формировании памяти в гиппокампе. Предполагается, что это связано со значением МГЭ в регуляции экспрессии генов при дифференцировке и функционировании нейронов. Значение МГЭ и произошедших от них микроРНК в развитии нейродегенеративных процессов свидетельствует о возможностях таргетного воздействия на патологическую активацию транспозонов в лечении данных патологий.

 

Таблица 2. Изменение экспрессии произошедших от транспозонов микроРНК при нейродегенеративных болезнях с нарушением памяти

№	МикроРНК	Транспозон-источник	Изменение экспрессии микроРНК: болезнь [ссылка]
1	miR-1202	LINE1	повышение: БА [106]
2	miR-1246	ERVL	повышение: БА [107]
3	miR-1271	LINE2	снижение: БА [121]
4	miR-151	LINE2	повышение: БА [108]
5	miR-192	LINE2	снижение: БДР [82], БА [122]
6	miR-211	LINE2	повышение: БА [103]
7	miR-28	LINE 2	повышение: БА [110, 111]
8	miR-31	LINE2	снижение: БА [123, 124]
9	miR-3199	LINE2	снижение: БА [125]
10	miR-320c	LINE2	повышение: БА [112]
11	miR-3200	ERV-L	снижение: БА [125], РС [144]
12	miR-325	LINE2	снижение: БА [126]
13	miR-326	hAT-Tip100	повышение: БА [113]
14	miR-335	SINE/MIR	повышение: БА [114]
15	miR-340	TcMar-Mariner	снижение: БА [127]
16	miR-342	SINE	снижение: БА [128]
17	miR-3646	SINE/MIR	повышение: БА [115]
18	miR-378а	SINE/MIR	повышение: БА [116]
19	miR-384	LINE/Dong-R4	повышение: БА [117]
20	miR-4286	LTR/ERVL	снижение: БА [106]
21	miR-4293	SINE/tRNA	снижение: БП [141]
22	miR-4317	SINE/MIR	повышение: БП [141]
23	miR-4422	LTR/Gypsy	снижение: БА [129]
24	miR-4487	LINE1	снижение: БА [130]
25	miR-4504	LINE1	повышение: БА [95]
26	miR-4772	LINE1	снижение: БА [102]
27	miR-502	LINE2	снижение: БА [108]
28	miR-511	LINE1	снижение: БА [131]
29	miR-545	LINE2	снижение: БА [118]
30	miR-566	SINE/Alu	повышение: БА [119]
31	miR-576	LINE1	снижение: БА [132, 133]
32	miR-585	ERV-L/MaLR	повышение: БП [140]
33	miR-603	TcMar-Mariner	повышение: БА [120]
34	miR-6087	LINE1	снижение: БА [134]
35	miR-6088	SINE/Alu	повышение: БП [142]
36	miR-619	LINE1	снижение: БА [135]
37	miR-625	LINE1	снижение: БДР [143]
38	miR-652	hAT-Tip100	снижение: РС [145]
39	miR-659	LINE2	повышение: БА [102]
40	miR-664	LINE1	снижение: БА [136]
41	miR-708	LINE2	снижение: БА [137, 138]
42	miR-769	LINE/CR1	снижение: БП [141]
43	miR-885	SINE/MIR	снижение: БА [139]
44	miR-942	LINE2	повышение: РС [145]

Примечание. БА – болезнь Альцгеймера; БДР – большое депрессивное расстройство; БП – болезнь Паркинсона; РС – рассеянный склероз.

 

Работа выполнена без спонсорской поддержки.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с использованием в качестве объекта животных.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием в качестве объекта людей.

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

R. N. Mustafin

Bashkir State Medical University

Author for correspondence.
Email: ruji79@mail.ru
Russian Federation, Ufa, 450008

E. K. Khusnutdinova

Institute of Biochemistry and Genetics, Ufa Federal Research Centre, Russian Academy of Sciences

Email: ruji79@mail.ru
Russian Federation, Ufa, 450054

References

Supplementary files