Как функция мозга может изменить ДНК

1. Эпигенетические модификации

Эпигенетические изменения — это изменения в молекулах ДНК, которые не изменяют основной генетический код. Но эти изменения могут повлиять на экспрессию генов. Эпигенетические изменения могут влиять на функцию мозга различными способами, включая стресс, факторы окружающей среды и опыт. Например, исследования показали, что стресс в раннем возрасте может привести к эпигенетическим изменениям, которые изменяют экспрессию генов, связанных со стрессом и регуляцией эмоций.

Функция мозга может влиять на изменения ДНК под действием определенных ферментов, известных как ДНК-метилтрансферазы (DNMT). Эти ферменты добавляют химическую группу, называемую метильной группой, к определенным участкам молекулы ДНК, что может влиять на экспрессию генов.

Исследования показали, что на активность DNMT могут влиять различные факторы, связанные с функцией мозга, включая стресс, обучение и память, а также наркотики или другие раздражители окружающей среды. Например, было показано, что стресс увеличивает активность DNMT в определенных областях мозга, что приводит к изменениям в экспрессии генов, которые могут способствовать тревоге или депрессии.

В дополнение к DNMT, другие эпигенетические эффекты также могут играть роль в изменениях ДНК в зависимости от функции мозга. К ним относятся модификации гистонов, которые включают изменения в белках, упаковывающих ДНК в клетках, и некодирующие молекулы РНК, которые могут взаимодействовать с ДНК или другими молекулами РНК для регулирования экспрессии генов.

2. Нейронная активность

Нейронная активность также может влиять на ДНК. Например, исследования показали, что активность нейронов может привести к изменениям в структуре хроматина, что может повлиять на экспрессию и функцию генов. Кроме того, недавние исследования показали, что нейроны также могут передавать генетический материал, такой как микроРНК, в другие клетки мозга, что может влиять на экспрессию генов и их функционирование в этих клетках.

Исследования показали, что активность нейронов может стимулировать активность ферментов, называемых гистон-ацетилтрансферазами (ГАТ). Они добавляют ацетильные группы к гистоновым белкам, присоединенным к ДНК. Эта модификация может привести к увеличению экспрессии генов. Напротив, другие ферменты, такие как гистоновые деацетилазы (HDAC), могут удалять ацетильные группы из гистонов. Это приводит к снижению экспрессии генов. Исследования показали, что активность HDAC может подавляться нейротрансмиттерами, такими как дофамин и серотонин.

В дополнение к модификациям гистонов активность нейронов также может влиять на метилирование ДНК. В этом процессе к ДНК добавляются метильные группы, которые могут подавлять экспрессию генов. Исследования показали, что активность нейронов может влиять на активность ДНК-метилтрансфераз (DNMT), которые катализируют метилирование ДНК.

3. Нейрональная пластичность

Нейрональная пластичность — это способность мозга меняться в ответ на опыт и факторы окружающей среды. Этот процесс включает изменения в экспрессии и функции генов, на которые могут влиять модификации ДНК.

Исследования показали, что активность нейронов может активировать фактор транскрипции CREB (белок, связывающий элемент ответа цАМФ), что может привести к изменениям в экспрессии генов, важных для формирования долговременной памяти. CREB может связываться со специфическими последовательностями ДНК, известными как элементы ответа цАМФ (CRE), и регулировать экспрессию генов, участвующих в синаптической пластичности и консолидации памяти.

В дополнение к CREB было показано, что другие факторы транскрипции, такие как BDNF (нейротрофический фактор головного мозга) и NF-kB (ядерный фактор каппа B), также влияют на пластичность нейронов и могут вызывать изменения в экспрессии генов, которые приводят к изменению структуры ДНК. измененный.

Эпигенетические модификации, такие как модификации гистонов и метилирование ДНК, также могут зависеть от пластичности нейронов, что приводит к изменениям в экспрессии генов, которые изменяют функцию и поведение мозга. Например, исследования показали, что изменения в ацетилировании и метилировании гистонов могут происходить в ответ на активность нейронов. Они изменяют экспрессию генов, что важно для синаптической пластичности и формирования памяти.

4. Нервные стволовые клетки

Нервные стволовые клетки отвечают за создание новых нейронов в головном мозге, и на них могут влиять модификации ДНК. Например, исследования показали, что метилирование ДНК может регулировать дифференцировку нервных стволовых клеток в различные типы нейронов. Нервные стволовые клетки представляют собой тип стволовых клеток, которые могут дифференцироваться в различные типы нервных клеток, включая нейроны и глиальные клетки. Эти клетки обладают способностью изменять свою ДНК посредством процесса, называемого эпигенетической регуляцией.

доноры метила

Доноры метила, такие как S-аденозилметионин (SAM), участвуют в процессе метилирования ДНК, которое добавляет метильные группы к цитозиновым основаниям ДНК. Эта модификация может изменить экспрессию генов.

Ферменты, модифицирующие гистоны

Ферменты, модифицирующие гистоновые белки, присоединенные к ДНК в клетках, также участвуют в модификации ДНК. Например, гистоновые ацетилтрансферазы (HAT) добавляют ацетильные группы к гистонам, что приводит к изменениям в экспрессии генов, в то время как гистоновые деацетилазы (HDAC) удаляют ацетильные группы, что приводит к изменениям в репрессии генов.

Малые некодирующие РНК

Малые некодирующие РНК, такие как микроРНК (миРНК) и малые интерферирующие РНК (миРНК), участвуют в регуляции экспрессии генов посредством их взаимодействия с информационной РНК (мРНК). Эти взаимодействия могут приводить к деградации мРНК или ингибированию трансляции, что приводит к изменениям в экспрессии генов.

Экологические токсины

Различные экологические токсины также могут изменять структуру и функцию ДНК. Например, воздействие табачного дыма может вызвать повреждение ДНК, которое может изменить экспрессию генов и способствовать развитию рака.

Эпигенетические препараты

Был разработан ряд лекарств, которые воздействуют на эпигенетические механизмы и могут изменять структуру и функцию ДНК. К ним относятся ингибиторы метилирования ДНК, такие как 5-азацитидин, и ингибиторы гистондеацетилазы, такие как вориностат.