Блокада активности гистондеацетилаз влияет на транскрипцию и сплайсинг нейрональных и глиальных генов
- Авторы: Бородинова А.А.1, Белецкий А.П.1, Балабан П.М.1
-
Учреждения:
- Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 698-701
- Раздел: Материалы конференции
- URL: https://journal-vniispk.ru/2313-1829/article/view/256305
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623416
- ID: 256305
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Аннотация
Исследование молекулярных механизмов, лежащих в основе пластических процессов в нервной системе, представляет большой интерес в современной нейробиологии. Важно понимать, что эпигенетические модификации, которые рассматривают в аспектах развития и клеточной дифференцировки, могут также вовлекаться в пластические процессы уже во взрослой нервной системе.
В нашей ранней работе мы приводили доказательства того, что экспрессия важных генов, связанных с памятью, таких как Prkcz и Prkci, может регулироваться эпигенетически [1]. В данной работе мы расширили предыдущее исследование до системного уровня, применив подход РНК-секвенирования для оценки изменения паттернов экспрессии различных генов при индукции эпигенетических перестроек. Для этого культуры кортикальных нейронов крысы инкубировали с одним из неселективных ингибиторов гистондеацетилаз (трихостатин А, TSA; бутират натрия, NaB,) для изменения уровня эпигенетической регуляции. Далее суммарную РНК выделяли и использовали для подготовки библиотек и последующего NGS-секвенирования.
Биоинформатический анализ транскриптомных данных выявил существенное перекрытие дифференциально экспрессированных генов (DEG) в группах, обработанных NaB и TSA, свидетельствуя, что различные по химической структуре ингибиторы гистондеацетилаз (HDAC) индуцируют транскрипционные изменения в первичных культурах нейронов через общие регуляторные пути. Мы обнаружили, что блокада гистондеацетилаз сопровождается переходом от пролиферативных процессов к клеточной дифференцировке. Анализ генной онтологии (GO) датасетов DEG генов показал, что значительная доля генов, увеличивающих уровень экспрессии в ответ на добавление ингибиторов HDAC, была связана со специализацией клеток, тканевым и эмбриональным морфогенезом, развитием различных периферических тканей и органов. Напротив, гены, снижающие уровень экспрессии при индукции эпигенетических перестроек, были вовлечены в биологические процессы, связанные с пролиферацией клеток и, что особенно интересно, специализацией различных клеток мозга (нейроны, астроциты, олигодендроциты). Было показано, что экспрессия целого ряда глиальных маркеров, характерных для астроцитов и олигодендроцитов, была значительно снижена после добавления ингибиторов HDAC, что также подтверждается результатами количественного ПЦР с использованием специфических пар праймеров на выбранные гены мишени. В ходе анализа данных мы также обнаружили значительное снижение экспрессии различных нейрональных маркеров, связанных с цитоскелетом, организацией пре- и постсинаптических окончаний, синаптической передачей.
Известно, что тонкая регуляция различных процессов в центральной нервной системе обусловлена производством различных изоформ белков с одного и того же гена за счет процесса альтернативного сплайсинга образующейся мРНК. Согласно данным литературы, эпигенетические перестройки создают определенное окружение для регуляции альтернативного сплайсинга [2, 3]. Показано, что образование альтернативных продуктов может играть важную роль в различных пластических процессах [4, 5]. Учитывая вышесказанное, мы проанализировали возможность альтернативного сплайсинга генов при индукции эпигенетических перестроек в культурах кортикальных нейронов крысы, оценив количество различных изоформ транскриптов по представленности отдельных экзонов с помощью пакетов программ IsoformSwitchAnalyzeR и DEXSeq. Мы обнаружили, что некоторые глиальные гены и большое количество нейрональных генов, в особенности связанных с постсинаптической организацией и клеточной коммуникацией, подвергаются альтернативному сплайсингу при добавлении ингибиторов гистондеацетилаз. Ингибирование активности HDAC в культурах кортикальных нейронов в основном влияло на выбор альтернативных стартов (ATSS) и терминаторов транскрипции (ATTS), и, в меньшей степени, на альтернативный сплайсинг экзонов. Полученные данные были выборочно подтверждены результатами количественного ПЦР с использованием специфических пар праймеров на отдельные экзоны разных изоформ транскриптов.
Таким образом, в ходе нашего исследования, удалось установить, что гистондеацетилазы играют важнейшую роль в специализации различных клеток мозга, а подавление их активности влияет на экспрессию и альтернативный сплайсинг различных глиальных и нейрональных генов-маркеров. Мы не исключаем, что глобальные изменения транскриптома, вызванные сплайсингом генов, будут приводить к качественным перестройкам сети нейронов, что является направлением будущих исследований.
Ключевые слова
Полный текст
Исследование молекулярных механизмов, лежащих в основе пластических процессов в нервной системе, представляет большой интерес в современной нейробиологии. Важно понимать, что эпигенетические модификации, которые рассматривают в аспектах развития и клеточной дифференцировки, могут также вовлекаться в пластические процессы уже во взрослой нервной системе.
В нашей ранней работе мы приводили доказательства того, что экспрессия важных генов, связанных с памятью, таких как Prkcz и Prkci, может регулироваться эпигенетически [1]. В данной работе мы расширили предыдущее исследование до системного уровня, применив подход РНК-секвенирования для оценки изменения паттернов экспрессии различных генов при индукции эпигенетических перестроек. Для этого культуры кортикальных нейронов крысы инкубировали с одним из неселективных ингибиторов гистондеацетилаз (трихостатин А, TSA; бутират натрия, NaB) для изменения уровня эпигенетической регуляции. Далее суммарную РНК выделяли и использовали для подготовки библиотек и последующего NGS-секвенирования.
Биоинформатический анализ транскриптомных данных выявил существенное перекрытие дифференциально экспрессированных генов (DEG) в группах, обработанных NaB и TSA, свидетельствуя, что различные по химической структуре ингибиторы гистондеацетилаз (HDAC) индуцируют транскрипционные изменения в первичных культурах нейронов через общие регуляторные пути. Мы обнаружили, что блокада гистондеацетилаз сопровождается переходом от пролиферативных процессов к клеточной дифференцировке. Анализ генной онтологии (GO) датасетов DEG генов показал, что значительная доля генов, увеличивающих уровень экспрессии в ответ на добавление ингибиторов HDAC, была связана со специализацией клеток, тканевым и эмбриональным морфогенезом, развитием различных периферических тканей и органов. Напротив, гены, снижающие уровень экспрессии при индукции эпигенетических перестроек, были вовлечены в биологические процессы, связанные с пролиферацией клеток и, что особенно интересно, специализацией различных клеток мозга (нейроны, астроциты, олигодендроциты). Было показано, что экспрессия целого ряда глиальных маркеров, характерных для астроцитов и олигодендроцитов, была значительно снижена после добавления ингибиторов HDAC, что также подтверждается результатами количественного ПЦР с использованием специфических пар праймеров на выбранные гены мишени. В ходе анализа данных мы также обнаружили значительное снижение экспрессии различных нейрональных маркеров, связанных с цитоскелетом, организацией пре- и постсинаптических окончаний, синаптической передачей.
Известно, что тонкая регуляция различных процессов в центральной нервной системе обусловлена производством различных изоформ белков с одного и того же гена за счёт процесса альтернативного сплайсинга образующейся мРНК. Согласно данным литературы, эпигенетические перестройки создают определенное окружение для регуляции альтернативного сплайсинга [2, 3]. Показано, что образование альтернативных продуктов может играть важную роль в различных пластических процессах [4, 5]. Учитывая вышесказанное, мы проанализировали возможность альтернативного сплайсинга генов при индукции эпигенетических перестроек в культурах кортикальных нейронов крысы, оценив количество различных изоформ транскриптов по представленности отдельных экзонов с помощью пакетов программ IsoformSwitchAnalyzeR и DEXSeq. Мы обнаружили, что некоторые глиальные гены и большое количество нейрональных генов, в особенности связанных с постсинаптической организацией и клеточной коммуникацией, подвергаются альтернативному сплайсингу при добавлении ингибиторов гистондеацетилаз. Ингибирование активности HDAC в культурах кортикальных нейронов в основном влияло на выбор альтернативных стартов (ATSS) и терминаторов транскрипции (ATTS), и, в меньшей степени, на альтернативный сплайсинг экзонов. Полученные данные были выборочно подтверждены результатами количественного ПЦР с использованием специфических пар праймеров на отдельные экзоны разных изоформ транскриптов.
Таким образом, в ходе нашего исследования, удалось установить, что гистондеацетилазы играют важнейшую роль в специализации различных клеток мозга, а подавление их активности влияет на экспрессию и альтернативный сплайсинг различных глиальных и нейрональных генов-маркеров. Мы не исключаем, что глобальные изменения транскриптома, вызванные сплайсингом генов, будут приводить к качественным перестройкам сети нейронов, что является направлением будущих исследований.
Об авторах
А. А. Бородинова
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: borodinova.msu@mail.ru
Россия, Москва
А. П. Белецкий
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук
Email: borodinova.msu@mail.ru
Россия, Москва
П. М. Балабан
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук
Email: borodinova.msu@mail.ru
Россия, Москва
Список литературы
- Borodinova A.A., Kuznetsova M.A., Alekseeva V.S., Balaban P.M. Histone acetylation determines transcription of atypical protein kinases in rat neurons // Scientific Reports. 2019. Vol. 9, N 1. P. 4332. doi: 10.1038/s41598-019-40823-z
- Hnilicová J., Hozeifi S., Dušková E., et al. Histone deacetylase activity modulates alternative splicing // PLoS One. 2011. Vol. 6, N 2. P. e16727. doi: 10.1371/journal.pone.0016727
- Kim Y.E., Park C., Kim K.E., Kim K.K. Histone and RNA-binding protein interaction creates crosstalk network for regulation of alternative splicing // Biochemical and Biophysical Research Communications. 2018. Vol. 499, N 1. P. 30–36. doi: 10.1016/j.bbrc.2018.03.101
- Ding X., Liu S., Tian M., et al. Activity-induced histone modifications govern Neurexin-1 mRNA splicing and memory preservation // Nature Neuroscience. 2017. Vol. 20, N 5. P. 690–699. doi: 10.1038/nn.4536
- Sengar A.S., Li H., Zhang W., et al. Control of long-term synaptic potentiation and learning by alternative splicing of the NMDA receptor subunit GluN1 // Cell Reports. 2019. Vol. 29, N 13. P. 4285–4294.e5. doi: 10.1016/j.celrep.2019.11.087
Дополнительные файлы
