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Creare memoria richiede una vasta rottura del DNA

shining DNA chain

L'urgenza di ricordare un'esperienza pericolosa richiede che il cervello faccia una serie di mosse potenzialmente pericolose: per fornire ai meccanismi di immagazzinamento della memoria un rapido accesso alle istruzioni genetiche, i neuroni e le altre cellule cerebrali spezzano il loro DNA in numerosi punti che, secondo un nuovo studio, sono più di quanti si pensava finora.


L'entità di queste rotture del doppio filo del DNA (DSB, double-strand breaks) in più regioni cerebrali chiave, è sorprendente e preoccupante, ha detto l'autrice senior dello studio Li-Huei Tsai, prof.ssa di neuroscienze al MIT e direttrice del Picower Institute for Learning and Memory, perché, anche se le rotture sono riparate regolarmente, tale processo potrebbe diventare più imperfetto e fragile con l'età. Il laboratorio della Tsai ha dimostrato che le DSB persistenti sono associate alla neurodegenerazione e al declino cognitivo e che i meccanismi di riparazione possono fallire.


"Volevamo capire esattamente quanto è diffusa e ampia questa attività naturale nel cervello a fronte della formazione di memoria, perché ciò può darci informazioni sul modo in cui l'instabilità genomica potrebbe minare la salute del cervello nel tempo", ha detto la Tsai, che è anche prof.ssa nel dipartimento di scienze cerebrali e cognitive e leader dell'Aging Brain Initiative del MIT. "La formazione di memoria è chiaramente una priorità urgente per la funzione cerebrale sana, ma questi nuovi risultati, che mostrano che diversi tipi di cellule cerebrali rompono il loro DNA in molti punti per esprimere rapidamente i geni, sono comunque sorprendenti".

 

Tracciare le rotture

Nel 2015, il laboratorio della Tsai ha fornito la prima dimostrazione che l'attività neuronale causa DSB e che queste inducono una rapida espressione genica. Ma quei risultati, realizzati in prevalenza su preparati di neuroni in laboratorio, non avevano colto la piena portata dell'attività nel contesto della formazione di memoria in un animale attivo e non avevano studiato quello che accade nelle cellule diverse dai neuroni.


Nel nuovo studio pubblicato l'1 luglio su PLOS One, il primo autore ed ex dottorando Ryan Stott e il coautore / ex tecnico di ricerca Oleg Kritsky hanno cercato di indagare sull'intero panorama di attività DSB nell'apprendimento e nella memoria. Per fare ciò, hanno fatto provare a dei topi piccole scosse elettriche ai piedi quando entravano in una scatola, per condizionare un ricordo di paura di quel contesto.


Hanno quindi usato diversi metodi per valutare le DSB e l'espressione genica nel cervello dei topi nella successiva mezz'ora, in particolare tra vari tipi di cellule della corteccia prefrontale e dell'ippocampo, due regioni essenziali per la formazione e lo stoccaggio dei ricordi di paura condizionata. Hanno anche misurato il cervello dei topi che non avevano sperimentato lo scossa al piede per stabilire una linea di base di attività per il confronto.


La creazione di una memoria di paura ha raddoppiato il numero di DSB nei neuroni nell'ippocampo e della corteccia prefrontale, influenzando oltre 300 geni in ciascuna regione. Tra i 206 geni colpiti in comune in entrambe le regioni, i ricercatori hanno poi guardato ciò che facevano quei geni. Molti erano associati alla funzione delle connessioni che i neuroni fanno tra loro, chiamate sinapsi. Ciò ha senso perché l'apprendimento sorge quando i neuroni cambiano le loro connessioni (un fenomeno chiamato 'plasticità sinaptica') e la memoria si forma quando i gruppi di neuroni si collegano insieme in complessi chiamati engrammi.


"Molti geni essenziali per la funzione neuronale e per la formazione della memoria, e molti più di quelli previsti in base alle osservazioni precedenti nei neuroni coltivati ​​... sono potenzialmente i punti attivi della formazione di DSB", hanno scritto gli autori nello studio.


In un'altra analisi con misurazioni dell'RNA, i ricercatori hanno confermato che l'aumento delle DSB è effettivamente e strettamente correlato con una maggiore trascrizione e espressione dei geni interessati, compresi quelli che influenzano la funzione delle sinapsi, non più di 10-30 minuti dopo l'esposizione alle scosse al piede.


"Nel complesso, troviamo che i cambiamenti trascrizionali sono associati con più forza alle DSB nel cervello di quanto previsto", hanno scritto. "In precedenza avevamo osservato 20 loci (posizioni) di DSB associati a geni dopo la stimolazione dei neuroni coltivati, mentre nell'ippocampo e nella corteccia prefrontale ora vediamo più di 100-150 loci di DSB associati a gene che sono indotti trascrizionalmente".

 

Spezzare con stress

Nell'analisi dell'espressione genica, i neuroscienziati hanno esaminato non solo i neuroni ma anche le cellule cerebrali non neuronali (glia), e hanno scoperto che anch'esse hanno cambiamenti nell'espressione di centinaia di geni dopo il condizionamento alla paura. Le glia chiamate astrociti sono note per essere coinvolte nell'apprendimento della paura, ad esempio, e hanno mostrato cambiamenti significativi di DSB e di espressione genica dopo il condizionamento alla paura.


Tra le funzioni più importanti dei geni associati alla DSB relative al condizionamento alla paura nelle glia c'era la risposta agli ormoni. I ricercatori hanno quindi cercato di vedere quali ormoni sono particolarmente coinvolti e hanno scoperto che sono i glutocortocoidi, che sono secreti in risposta allo stress. È abbastanza certo che i dati dello studio hanno dimostrato che nelle glia, molte delle DSB che si sono verificate dopo il condizionamento della paura sono avvenute nei siti genomici relativi ai recettori glutocortocoidi.


Ulteriori test hanno rivelato che stimolare direttamente quei recettori ormonici potrebbe innescare le stesse DSB provocate dal condizionamento della paura, e che bloccare i recettori può prevenire la trascrizione dei geni chiave dopo il condizionamento della paura. La Tsai ha detto che la scoperta che le glia sono coinvolte così profondamente nel creare ricordi dal condizionamento della paura è una sorpresa importante del nuovo studio.


"La capacità delle glia di montare una solida risposta trascrizionale ai glutocorticoidi suggerisce che queste cellule potrebbero avere un ruolo molto più grande nella risposta allo stress e nel suo impatto sul cervello durante l'apprendimento, rispetto a quanto realizzato in precedenza"
, ha scritto.

 

Danni e pericoli?

Sono necessarie altre ricerche per dimostrare che le DSB necessarie per formare e memorizzare i ricordi della paura sono una minaccia per la salute del cervello più avanti, ma il nuovo studio aumenta solo le prove che potrebbe essere così, hanno scritto gli autori.


"Nel complesso abbiamo identificato i siti delle DSB nei geni importanti per le funzioni neuronali e gliali, il che suggerisce che la riparazione del DNA compromesso da queste rotture ricorrenti del DNA, che nascono nell'ambito dell'attività cerebrale, potrebbe comportare un'instabilità genomica che contribuisce all'invecchiamento e alle malattie nel cervello"
hanno scritto.

 

 

 


Fonte: Picower Institute at MIT (> English) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti: Ryan T. Stott, Oleg Kritsky, Li-Huei Tsai. Profiling DNA break sites and transcriptional changes in response to contextual fear learning. PLOS One, 1 Jul 2021, DOI

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