Обогащение окружающей среды — инфраструктурой, незнакомыми запахами и вкусами, игрушками и головоломками — часто используется в зоопарках, лабораториях и на фермах для стимулирования животных и улучшения их самочувствия. Стимулирующая среда лучше для психического здоровья и познания, потому что она стимулирует рост и функцию нейронов и их связей, глиальных клеток, которые поддерживают и питают нейроны, а также кровеносных сосудов в головном мозге. Но каковы более глубокие молекулярные механизмы, которые первыми привели в движение эти большие изменения в нейрофизиологии? Это предмет недавнего исследования Frontiers in Molecular Neuroscience .
Здесь многонациональная группа ученых использовала большой набор молекулярных инструментов для беспрецедентной детализации карты того, как обогащение окружающей среды приводит к изменениям в трехмерной организации хромосом в нейронах и глиальных клетках мозга мыши, что приводит к активации или дезактивации меньшинства. из генов в геноме. Они показывают, что особенно страдают гены, которые у людей важны для когнитивного психического здоровья. Это открытие может вдохновить на поиски новых методов лечения.
Обогащение сначала заставляет трехмерную структуру хромосом «открываться»
«Здесь мы впервые показываем с крупномасштабными данными, полученными с помощью многих современных методов, что молодые мыши-подростки, выросшие в дополнительной стимулирующей среде, имеют очень специфические« эпигенетические »изменения, то есть молекулярные изменения. кроме последовательности ДНК — к хромосомам в клетках коры головного мозга », — говорит автор-корреспондент доктор Серджио Эспесо-Хиль из Центра геномной регуляции в Барселоне, Испания.
Он продолжает: «Они увеличивают локальную« открытость »и« петлевость »хромосом, особенно вокруг участков ДНК, называемых энхансерами и инсуляторами, которые затем настраивают большее количество« нижних »генов. Это происходит не только в нейронах, но и в поддерживающих клетки глии, которые слишком часто игнорируются в исследованиях, посвященных обучению «.
Эспесо-Гил и его коллеги выращивали лабораторных мышей в течение первого месяца после рождения в социальных группах внутри домов с блоками Lego, лестницами, шарами и туннелями, которые часто менялись и перемещались. В качестве контроля мышей выращивали меньшими группами в стандартных помещениях. Затем авторы использовали ряд дополнительных инструментов для поиска молекулярных изменений в нейронах и глиальных клетках в коре головного мозга. Они включали изменения в трехмерной структуре хромосом, в частности, локальную «доступность хроматина» (открытость) и «взаимодействия хроматина» (когда отдаленные гены объединяются посредством петель для координации активности).
Эпигенетические « главные » переключатели
Они показывают, что одним «главным» переключателем, работающим после обогащения окружающей среды, является локально повышенная активность белка CTCF, который стимулирует взаимодействия хроматина внутри и между хромосомами. Второй главный переключатель работает, локально увеличивая доступность хроматина, особенно в пирамидных нейронах, которые важны для познания. Третье — это сильно локализованное добавление CH3- (метильных) групп к важному хромосомному белку гистону H3, изменение, которое активирует близлежащие гены.
Эти переключатели в основном происходят вокруг участков генома, которые содержат энхансеры, регуляторную ДНК, которая (будучи связана с белками, называемыми факторами транскрипции), может активировать соседние гены. Также были затронуты области генома с инсуляторами, регуляторной ДНК, которая может преодолевать активирующий ген эффект соседних энхансеров.
Авторы приходят к выводу, что взросление в обогащенной среде вызывает очень локальные и специфические эпигенетические изменения в нейронах и глиальных клетках . Затем они изменяют активность — преимущественно за счет активации, а не ингибирования — меньшинства генов в геноме. В целом затрагиваются 0,2-0,4% всех энхансеров и 2-5% всех промоторов (т.е. стартовые сайты для первого этапа экспрессии гена, где ДНК транскрибируется в кодирующую белок или регуляторную РНК).
Связь с психическим здоровьем человека
«Наши результаты показывают, что многие из задействованных генов, как известно, играют роль в росте и дифференцировке нейронов, развитии кровеносных сосудов , формировании и формировании паттерна новых синаптических связей на нейронах , а также молекулярных путей, участвующих в памяти и обучении в мышей «, — говорит Эспесо-Гил.
«И когда мы ищем параллельные области в геноме человека, мы обнаруживаем множество областей, которые статистически связаны с различиями в сложных чертах, таких как бессонница, шизофрения и болезнь Альцгеймера, у людей, что означает, что наше исследование может дать информацию для будущих исследований этих расстройств. Это указывает на потенциал обогащения окружающей среды в терапии для психического здоровья. Наши исследования также могут помочь в будущих исследованиях взаимодействия хроматина и малоизвестной важности глиальных клеток для когнитивного психического здоровья ».
