Wie die Gehirnfunktion die DNA verändern kann

1. Epigenetische Modifikationen

Epigenetische Veränderungen sind Veränderungen an DNA-Molekülen, die den zugrunde liegenden genetischen Code nicht verändern. Aber diese Veränderungen können die Genexpression beeinflussen. Die Gehirnfunktion kann durch epigenetische Veränderungen auf vielfältige Weise beeinflusst werden, einschließlich Stress, Umweltfaktoren und Erfahrung. Studien haben beispielsweise gezeigt, dass Stress im frühen Leben zu epigenetischen Veränderungen führen kann, die die Expression von Genen im Zusammenhang mit Stress und Emotionsregulation verändern.

Die Gehirnfunktion kann DNA-Veränderungen durch die Wirkung bestimmter Enzyme beeinflussen, die als DNA-Methyltransferasen (DNMTs) bekannt sind. Diese Enzyme fügen an bestimmten Stellen des DNA-Moleküls eine chemische Gruppe namens Methylgruppe hinzu, die die Genexpression beeinflussen kann.

Studien haben gezeigt, dass die DNMT-Aktivität durch eine Vielzahl von Faktoren im Zusammenhang mit der Gehirnfunktion beeinflusst werden kann, darunter Stress, Lernen und Gedächtnis sowie Medikamente oder andere Umweltreize. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass Stress die DNMT-Aktivität in bestimmten Gehirnregionen erhöht, was zu Veränderungen in der Genexpression führt, die zu Angstzuständen oder Depressionen beitragen können.

Neben DNMTs können auch andere epigenetische Effekte eine Rolle bei DNA-Veränderungen durch Gehirnfunktionen spielen. Dazu gehören Histonmodifikationen, die Änderungen an den Proteinen beinhalten, die die DNA in Zellen verpacken, und nichtkodierende RNA-Moleküle, die mit DNA oder anderen RNA-Molekülen interagieren können, um die Genexpression zu regulieren.

2. Neuronale Aktivität

Die neuronale Aktivität kann auch die DNA beeinflussen. Studien haben beispielsweise gezeigt, dass neuronale Aktivität zu Veränderungen in der Chromatinstruktur führen kann, die die Genexpression und -funktion beeinflussen können. Darüber hinaus haben neuere Forschungen darauf hingewiesen, dass Neuronen auch genetisches Material wie microRNAs auf andere Zellen im Gehirn übertragen können, was die Genexpression und -funktion in diesen Zellen beeinflussen kann.

Studien haben gezeigt, dass neuronale Aktivität die Aktivität von Enzymen namens Histon-Acetyltransferasen (HATs) stimulieren kann. Sie fügen den an die DNA gebundenen Histonproteinen Acetylgruppen hinzu. Diese Modifikation kann zu einer Erhöhung der Genexpression führen. Im Gegensatz dazu können andere Enzyme wie Histon-Deacetylasen (HDACs) Acetylgruppen von Histonen entfernen. Dies führt zu einer Abnahme der Genexpression. Studien haben gezeigt, dass die HDAC-Aktivität durch Neurotransmitter wie Dopamin und Serotonin gehemmt werden kann.

Neben Histonmodifikationen kann auch neuronale Aktivität die DNA-Methylierung beeinflussen. Dabei werden der DNA Methylgruppen hinzugefügt, die die Genexpression unterdrücken können. Studien haben gezeigt, dass neuronale Aktivität die Aktivität von DNA-Methyltransferasen (DNMTs) beeinflussen kann, die die DNA-Methylierung katalysieren.

3. Neuronale Plastizität

Neuronale Plastizität ist die Fähigkeit des Gehirns, sich als Reaktion auf Erfahrungen und Umweltfaktoren zu verändern. Dieser Prozess beinhaltet Veränderungen in der Genexpression und -funktion, die durch DNA-Modifikationen beeinflusst werden können.

Studien haben gezeigt, dass neuronale Aktivität den Transkriptionsfaktor CREB (cAMP response element-binding protein) aktivieren kann, was zu Veränderungen in der Genexpression führen kann, die für die Bildung des Langzeitgedächtnisses wichtig sind. CREB kann an spezifische DNA-Sequenzen binden, die als cAMP-Response-Elemente (CREs) bekannt sind, und die Expression von Genen regulieren, die an der synaptischen Plastizität und Gedächtniskonsolidierung beteiligt sind.

Neben CREB haben auch andere Transkriptionsfaktoren wie BDNF (brain-derived neurotrophic factor) und NF-kB (nuclear factor kappa B) gezeigt, dass sie die neuronale Plastizität beeinflussen und Veränderungen in der Genexpression induzieren können, die zur DNA-Struktur führen können geändert.

Epigenetische Modifikationen wie Histonmodifikationen und DNA-Methylierung können ebenfalls durch neuronale Plastizität beeinflusst werden, was zu Veränderungen in der Genexpression führt, die die Gehirnfunktion und das Verhalten verändern. Beispielsweise haben Studien gezeigt, dass Veränderungen in der Histonacetylierung und -methylierung als Reaktion auf neuronale Aktivität auftreten können. Sie verändern die Genexpression, die für die synaptische Plastizität und Gedächtnisbildung wichtig ist.

4. Neurale Stammzellen

Neurale Stammzellen sind für die Bildung neuer Neuronen im Gehirn verantwortlich und können durch DNA-Modifikationen beeinflusst werden. Studien haben beispielsweise gezeigt, dass die DNA-Methylierung die Differenzierung neuraler Stammzellen in verschiedene Arten von Neuronen regulieren kann. Neurale Stammzellen sind eine Art von Stammzellen, die sich in verschiedene Arten von neuralen Zellen, einschließlich Neuronen und Gliazellen, differenzieren können. Diese Zellen haben die Fähigkeit, ihre DNA durch einen Prozess namens epigenetische Regulation zu verändern.

Methylspender

Methyldonoren wie S-Adenosylmethionin (SAM) sind am Prozess der DNA-Methylierung beteiligt, bei der Methylgruppen an die Cytosinbasen der DNA angefügt werden. Diese Modifikation kann die Genexpression verändern.

Histon modifizierende Enzyme

An der DNA-Modifikation sind auch Enzyme beteiligt, die Histonproteine modifizieren, die in Zellen an die DNA gebunden sind. Beispielsweise fügen Histonacetyltransferasen (HATs) Acetylgruppen zu Histonen hinzu, was zu Veränderungen in der Genexpression führt, während Histon-Deacetylasen (HDACs) Acetylgruppen entfernen, was zu Veränderungen in der Genrepression führt.

Kleine nichtkodierende RNAs

Kleine nichtkodierende RNAs wie microRNAs (miRNAs) und kleine interferierende RNAs (siRNAs) sind durch ihre Wechselwirkungen mit Boten-RNA (mRNA) an der Regulation der Genexpression beteiligt. Diese Wechselwirkungen können zu mRNA-Abbau oder Translationshemmung führen, was zu Veränderungen in der Genexpression führt.

Umweltgifte

Verschiedene Umweltgifte können auch die DNA-Struktur und -Funktion verändern. Zum Beispiel kann die Exposition gegenüber Tabakrauch DNA-Schäden verursachen, die die Genexpression verändern und zur Krebsentstehung beitragen können.

Epigenetische Medikamente

Es wurde eine Reihe von Medikamenten entwickelt, die auf epigenetische Mechanismen abzielen und die DNA-Struktur und -Funktion verändern können. Dazu gehören DNA-Methylierungshemmer wie 5-Azacytidin und Histon-Deacetylase-Hemmer wie Vorinostat.