Разрывы ДНК в клетках-предшественниках нейронов кластеризуются в специфических генах

Исследователи из Программы клеточной и молекулярной медицины (PCMM) Бостонской детской больницы, Гарвардской медицинской школы и Медицинского института Говарда Хьюза сообщают в журнале Cell, что геном развивающихся клеток мозга содержит 27 кластеров или "горячих точек", где его ДНК с гораздо большей вероятностью разрывается. Эти горячие точки обнаружены в генах, связанных с опухолями мозга, а также с рядом нейроразвивающихся и нейропсихиатрических состояний, что ставит новые вопросы об их происхождении и о том, как мозг генерирует разнообразие нейронных цепей в процессе развития.

Корни исследования и метод

Исследование уходит корнями более чем на 30 лет назад, когда лаборатория старшего автора Фредерика Альта начала изучать связи между опухолями, онкогенами, разрывами ДНК и её репарацией. Ранее было обнаружено, что нейроны, лишённые пути репарации двухцепочечных разрывов ДНК — негомологичного соединения концов (NHEJ), — либо гибнут на ранних стадиях развития, либо дают начало медуллобластомам.

Чтобы понять, почему потеря этого пути так критична, команда использовала метод высокопроизводительного полногеномного секвенирования транслокаций (HTGTS), разработанный в лаборатории Альта для картирования разрывов ДНК с высоким разрешением. Его применили к мышиным нервным стволовым и прогениторным клеткам (NSPCs) в условиях репликативного стресса.

Ключевые находки

Эксперименты выявили 27 чётких, повторяющихся горячих точек частых разрывов генома NSPCs. Все они были распределены по телам 27 отдельных генов, которые имеют общие характеристики:

• Все гены — длинные (более 100 килобаз), с множеством экзонов и длинными интронами.
• Большинство реплицируются поздно в процессе деления клетки.
• Кодируют белки, находящиеся на поверхности нейронов и участвующие в их коммуникации (например, в формировании синапсов, клеточной адгезии).
• 24 из 27 генов связаны с подавлением опухолей и/или неврологическими состояниями, такими как расстройство аутистического спектра, шизофрения и биполярное расстройство.

Гипотеза о роли разрывов

Разрывы чаще всего происходили в интронах генов. Это позволило команде выдвинуть гипотезу, что горячие точек могут иметь определённую цель — способствовать генерации разнообразного репертуара нейронных цепей в мозге.

"Поскольку разрывы происходят в основном между экзонами, они могут в некоторых случаях приводить к делеции одного или двух экзонов и потенциально позволять гену производить другой белок", — объяснил Фредерик Альт.

Таким образом, альтернативный сплайсинг может генерировать несколько вариантов кодируемых белков. Нейроны, развивающиеся из NSPCs, могли бы затем формировать уникальные нейронные цепи.

"Белок, кодируемый одним из идентифицированных нами генов, нейрексином, потенциально имеет более 1000 различных форм, некоторые из которых могут создавать связи между нейронами разной силы. Наше открытие может предоставить механизм для создания разнообразия синаптических связей", — сказал Постдокторант лаборатории Альта Пей-Чи Вей.

Связь с заболеваниями и эволюционное преимущество

Команда также предполагает, что повреждение ДНК, связанное с репликативным стрессом во время нейроразвития, воздействуя на эти гены, может способствовать нейроразвивающимся или нейропсихиатрическим заболеваниям.

"Практически все эти гены были связаны с заболеваниями, имеющими нейроразвивающийся компонент. Возможно, если вы не можете эффективно репарировать разрывы внутри генов, это предрасполагает человека к нейроразвивающемуся заболеванию", — отметил Бьёрн Швер.

С другой стороны, рекуррентные разрывы ДНК могут нести и потенциальное преимущество: "Это может быть способом опробовать разные комбинации цепей и синапсов, почти как миниатюрная эволюция", — добавил Швер. Это может вносить вклад в наблюдаемое разнообразие нейронных клеток в зрелом мозге.