Serwis prasowy / Press Release - Instytut Biologii Doświadczalnej

ul. Pasteura 3, 02-093 Warszawa
http://www.nencki.gov.pl
e-mail: [email protected]
tel.: +48 22 5892000 (centrala)
+48 22 5892491 (sekretariat)
fax: +48 22 8225342
Warszawa, 6 marca 2013
Epigenetyka: Neurony pamiętają, bo przesuwają swoje geny
w przestrzeni
Jak neurony przechowują informację o tym, co się wydarzyło? W Instytucie Biologii
Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN odkryto nieznany dotychczas mechanizm
powstawania śladów pamięciowych. Okazuje się, że przynajmniej o niektórych
zdarzeniach neurony pamiętają dzięki... geometrii.
Neurony to najważniejsze komórki układu nerwowego. Badacze z Instytutu Biologii Doświadczalnej
im. M. Nenckiego Polskiej Akademii Nauk w Warszawie udowodnili, że podczas pobudzania
neuronów dochodzi do trwałych zmian w rozmieszczeniu genów w przestrzeni jądra komórkowego.
Odkrycie, opisane w „Journal of Neuroscience”, jednym z najbardziej prestiżowych czasopism
neurobiologicznych, ma istotne znaczenie dla lepszego rozumienia natury procesów umysłowych i
schorzeń układu nerwowego, zwłaszcza mózgu.
„Podczas badań na szczurach po atakach epilepsji zaobserwowaliśmy, że jeden z genów może się
trwale przesunąć w głąb jąder komórkowych neuronów. Ponieważ modyfikacja geometrycznej
budowy jądra prowadzi do zmiany w ekspresji genów, neuron w ten sposób pamięta, co się
wydarzyło”, wyjaśnia prof. nadzw. Grzegorz Wilczyński z Pracowni Neuromorfologii Instytutu
Nenckiego.
Neurony łączą się ze sobą synapsami, tworząc rozbudowane sieci. Aby w sieciach neuronowych
powstawały ślady po bodźcach wywołujących pobudzenie, musi dochodzić do zmian kształtu i
funkcjonowania poszczególnych synaps. Jeśli ślad po bodźcu ma być trwały, niezbędne są zmiany
w ekspresji wielu genów znajdujących się w jądrach komórkowych poszczególnych neuronów.
Geny to odcinki łańcucha kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) kodujące określone białka.
Jednak obecność genu w DNA nie oznacza, że będzie on automatycznie aktywny. Od kilkunastu
lat wiadomo, że za ekspresję genów odpowiada także środowisko wewnątrz komórki. W
znajdującej się tam chromatynie występują bowiem substancje aktywujące lub blokujące geny.
„Sytuacja przypomina trochę relacje między ludźmi. Człowiek może być obecny na spotkaniu wielu
osób, ale jego głos będzie miał różne znaczenie w zależności od środowiska. Jeśli środowisko jest
przychylne, głos zostanie podchwycony i wzmocniony, społeczeństwo zauważy efekt. Jeśli
środowisko będzie niechętne, głos zostanie stłumiony”, opisuje prof. Wilczyński.
W przypadku neuronów procesy epigenetyczne – a więc takie, w których o ekspresji genu
decyduje otoczenie – wiązano do tej pory tylko z reakcjami chemicznymi w chromatynie. Badania
w Instytucie Nenckiego pokazują jednak, że w neuronach mamy do czynienia z kolejnym rodzajem
efektów epigenetycznych: zmianami w przestrzennej budowie jądra komórkowego, prowadzącymi
do powstawania trwałych śladów pamięciowych. Jest to możliwe z dwóch powodów. Pierwszy
wynika z obecności otoczki jądrowej: geny mogą się do niej przyczepiać lub od niej odczepiać, co
wpływa na ich ekspresję. Drugi powód jest związany ze specyficzną budową jądra komórkowego.
Jądro komórkowe składa się z wielu globul, zwanych domenami lub terytoriami chromosomowymi.
Każdą domenę wypełnia tylko jeden chromosom, który może się nieznacznie przemieszczać w
ramach swojego terytorium. Wskutek tych ruchów w punktach styku sąsiednich domen mogą się
spotkać fragmenty łańcuchów DNA z różnymi genami. Dochodzi wtedy albo do wyciszenia grupy
genów, albo do ich ekspresji – czyli do powstania fabryki transkrypcyjnej. Wystarczy jednak
niewielkie przesunięcie łańcucha DNA w którejś z domen, by sytuacja się zmieniła: wyciszona
grupa genów wznowi pracę lub fabryka przestanie funkcjonować.
Zmiany przestrzennego położenia genów w jądrze komórkowym obserwowano już wcześniej w
niektórych typach komórek, m.in. w komórkach nabłonkowych. Teraz w Instytucie Nenckiego
wykazano, że pod wpływem bodźców zewnętrznych podobne zmiany zachodzą w neuronach.
Ponadto naukowcy udowodnili, że zmiany są trwałe i tworzą wyraźny genetyczny ślad pamięciowy
w strukturze neuronalnej – mimo braku jakichkolwiek zmian w samych łańcuchach DNA.
W badaniach wykorzystano neurony szczurów po atakach epilepsji, która jest chorobą
plastyczności mózgu. Podczas ataku w pobudzonych neuronach dochodzi do burzliwej ekspresji
genów. Naukowcy z Instytutu Nenckiego wybrali do obserwacji dwa geny, znane jako BDNF i
TRKB. We współpracy z grupą prof. Marka Świtońskiego z Uniwersytetu Przyrodniczego w
Poznaniu oraz z prof. Marion Cremer z Monachium oznaczono ich położenie w łańcuchach DNA
za pomocą substancji świecącej po wzbudzeniu światłem lasera. Tak przygotowane preparaty z
neuronami szczurów kontrolnych i po atakach padaczkowych były analizowane pod mikroskopem
konfokalnym.
„Mikroskop konfokalny rejestruje obrazy tylko w pobliżu płaszczyzny ogniskowania. Dlatego każde
zdjęcie jest czymś w rodzaju płaskiego, cienkiego przekroju przez preparat. Żeby z zestawu wielu
takich plastrów odtworzyć przestrzenną budowę jąder komórkowych i rozmieszczenie genów,
trzeba było napisać specjalny program. Zadanie okazało się jeszcze trudniejsze z uwagi na fakt, że
pracowaliśmy na granicy zdolności rozdzielczej mikroskopu”, mówi dr Błażej Ruszczycki z Instytutu
Nenckiego.
Oprogramowanie powstawało przez rok. Za jego pomocą zbadano ponad 5000 jąder
komórkowych i wyznaczono położenia obu śledzonych genów w stosunku do środków jąder i
względem otoczki jądrowej. Dla genu BDNF zaobserwowano zmianę położenia o kilkaset
nanometrów (miliardowych części metra), przy czym u zwierząt kontrolnych gen występował przy
otoczce lub na niej w 50% jąder komórkowych, podczas gdy dla zwierząt po ataku epilepsji
wartość ta spadała do ok. 25%.
„Dwukrotny spadek to w biologii bardzo duża zmiana. Stwierdziliśmy ponadto, że pozostaje ona
widoczna nawet przez kilka tygodni. Wniosek jest więc jednoznaczny: o tym, co się wydarzyło,
neurony pamiętają także dzięki zmianom w architekturze swoich jąder komórkowych”, stwierdza
prof. Wilczyński.
Badania sfinansowano z Grantu Polsko-Norweskiego oraz ze środków Programu Operacyjnego
Innowacyjna Gospodarka.
Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego Polskiej Akademii Nauk, utworzony w 1918 roku, jest największym nieuniwersyteckim
ośrodkiem badań biologicznych w Polsce. Do priorytetowych dziedzin podejmowanych w Instytucie należą: neurobiologia,
neurofizjologia, biologia i biochemia komórkowa oraz biologia molekularna – w skalach złożoności od organizmów tkankowych przez
organelle komórkowe do białek i genów. W Instytucie działa 31 laboratoriów, m.in. nowoczesnej Mikroskopii Konfokalnej, Cytometrii
Przepływowej i Skaningowej, Mikroskopii Elektronowej, Testów Behawioralnych i Elektrofizjologii. Instytut dysponuje nowoczesną
aparaturą badawczą i zmodernizowaną zwierzętarnią, pozwalającą na hodowlę zwierząt laboratoryjnych, także transgenicznych, według
najwyższych standardów. Poziom prac eksperymentalnych, publikacje i silne związki z nauką światową plasują Instytut wśród
wiodących placówek biologicznych Europy.
KONTAKTY:
dr hab. Grzegorz Wilczyński, prof. nzw.
Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego w Warszawie.
tel. +48 22 5892355
email: [email protected]
POWIĄZANE STRONY WWW:
http://www.nencki.gov.pl/
Strona Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego w Warszawie.
http://press.nencki.gov.pl/
Serwis prasowy Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego w Warszawie.
MATERIAŁY GRAFICZNE:
Nencki130306b_fot01s.jpg
HR: http://press.nencki.gov.pl/wp-content/uploads/2013/03/Nencki130306b_fot01.jpg
W Instytucie Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego Polskiej Akademii Nauk w Warszawie odkryto, że w pobudzonych neuronach
dochodzi do trwałego przemieszczenia genów w jądrach komórkowych. Na zdjęciu doktorantka Agnieszka Walczak z jednym ze
zwierząt doświadczalnych. (Źródło: Instytut Nenckiego, Grzegorz Krzyżewski)
Nencki130306b_fot02s.jpg
HR: http://press.nencki.gov.pl/wp-content/uploads/2013/03/Nencki130306b_fot02.jpg
Obraz z mikroskopu konfokalnego przedstawiający jądra komórkowe neuronów z oznaczonymi genami. Punkty świecące na zielono
odpowiadają pozycjom genu BDNF, na czerwono – położeniom genu TRKB. Niebieski barwnik obrazuje kształt jądra komórkowego. W
każdym jądrze powinny występować dwa geny BDNF i dwa TRKB. Tam, gdzie jest ich mniej, niewidoczne geny znajdowały się poza
płaszczyzną ogniskowania mikroskopu. (Źródło: Instytut Nenckiego)
Nencki130306b_fot03s.jpg
HR: http://press.nencki.gov.pl/wp-content/uploads/2013/03/Nencki130306b_fot03.jpg
Komputerowa wizualizacja przestrzennej budowy jąder komórkowych neuronów otrzymana po złożeniu obrazów-przekrojów z
mikroskopu konfokalnego. (Źródło: Instytut Nenckiego)
Nencki130306b_fot04s.jpg
HR: http://press.nencki.gov.pl/wp-content/uploads/2013/03/Nencki130306b_fot04.jpg
Wizualizacja położenia genów BDNF (zielony) i TRKB (czerwony) w wybranych jądrach komórkowych neuronów populacji kontrolnej (po
lewej) i zwierząt po ataku epilepsji (po prawej). W populacji kontrolnej oba geny BDNF znajdują się przy otoczce jądrowej, w neuronach
zwierząt po ataku – wewnątrz jądra komórkowego. (Źródło: Instytut Nenckiego)
MATERIAŁY FILMOWE:
Nencki130306c_mov01.avi
HR (1528 x 772): http://press.nencki.gov.pl/wp-content/uploads/2013/03/Nencki130306c_mov01.avi
LR (320 x 162): http://press.nencki.gov.pl/wp-content/uploads/2013/03/Nencki130306c_mov01s.avi
GIF (320 x 162): http://press.nencki.gov.pl/wp-content/uploads/2013/03/Nencki130306c_mov01s.gif
Wizualizacja trójwymiarowej struktury jądra komórkowego neuronu. Kolorem zielonym oznaczono gen BDNF, czerwonym – gen TRKB.
Po lewej jądro komórkowe neuronów zwierząt kontrolnych (gen BDNF przy otoczce), po prawej – zwierząt po ataku epilepsji (gen BDNF
przesunięty do wewnątrz jądra komórkowego). (Źródło: Instytut Nenckiego)