Фермент TET1, который постепенно теряется с возрастом, необходим для активации генов, необходимых для восстановления миелина – оболочки вокруг нервных клеток, которая повреждена у людей с рассеянным склерозом (MS), – показало исследование на мышах.
Ученые заявили, что их открытие поддерживает дальнейшие исследования по поиску способов обратить вспять снижение TET1, восстановить повреждение миелина и замедлить прогрессирование рассеянного склероза.
«Наши результаты показывают, что TET1 необходим для восстановления миелина взрослых», – написала команда.
Исследование « TET1-опосредованное гидроксиметилирование ДНК регулирует ремиелинизацию взрослых мышей » было опубликовано в журнале Nature Communications .
Образование нового миелина, защитной оболочки, окружающей нервные волокна или аксоны, жизненно важно для восстановления поврежденного или утраченного миелина. Однако этот процесс восстановления нарушается при некоторых неврологических заболеваниях, включая рассеянный склероз.
Сам по себе миелин представляет собой специализированную мембрану клеток, называемых олигодендроцитами – тип глиальных клеток, которые не производят электрические импульсы, но действуют, поддерживая и защищая нервные клетки (нейроны), которые возникают из клеток-предшественников олигодендроцитов (OPC).
На переход от OPCs к олигодендроцитам для восстановления миелина могут влиять многие внешние факторы, включая болезни и старение. По мере того как люди стареют, образуется меньше миелина, что приводит к возрастному когнитивному и двигательному снижению. Это особенно очевидно среди людей с нейродегенеративными заболеваниями, такими как рассеянный склероз или болезнь Альцгеймера .
Один из биологических процессов, участвующих в переходе, который дает контроль над OPC олигодендроцитам, – это эпигенетика. Это химическая модификация ДНК и связанных с ней белков, регулирующих активность генов.
Метилирование ДНК – это эпигенетическая модификация, при которой к ДНК добавляются метильные группы для подавления активности генов. Напротив, гидроксиметилирование ДНК присоединяет гидроксиметильные группы к ДНК для активации активности гена. ДНК гидроксиметилируется семейством ферментов, называемых TET , которые обнаруживаются в больших количествах в нейронах и глиальных клетках.
Хотя сообщалось, что метилирование ДНК играет роль в образовании миелина у развивающихся плодов, оно играет лишь незначительную роль в переходе взрослого OPC-олигодендроцита во время репарации миелина. Однако неизвестно, участвует ли гидроксиметилирование ДНК в репарации миелина во взрослом мозге.
Чтобы выяснить это, ученые из Центра перспективных научных исследований Neuroscience Initiative при Городском университете Нью-Йорка (CUNY ASRC) использовали модели мышей и рыбок данио, чтобы узнать больше о роли гидроксиметилирования ДНК в возрастной репарации миелина.
«Мы разработали эксперименты для выявления молекул, которые могут повлиять на омоложение мозга», – сообщила в пресс-релизе Сара Мойон, доктор философии, ведущий автор исследования и доцент исследовательского центра CUNY ASRC Neuroscience Initiative .
Учитывая, что функция OPC у взрослых заключается в восстановлении миелина в ответ на травму, команда индуцировала демиелинизацию в спинном мозге молодых и старых мышей с помощью химического вещества, называемого LPC. Миелин эффективно восстанавливался у молодых мышей после инъекции LPC. Но он оставался нарушенным у старых мышей с меньшим количеством ремиелинизированных аксонов.
Успешная репарация миелина у молодых мышей происходила за счет увеличения OPC с высоким уровнем гидроксиметилирования ДНК. Напротив, у старых мышей было меньшее количество OPC с усиленным гидроксиметилированием ДНК, хотя количество OPC оставалось постоянным между молодыми и старыми мышами.
«Вместе эти данные подтверждают общее возрастное снижение гидроксиметилирования и ремиелинирования ДНК», – написала команда.
ДНК гидроксиметилируется семейством ферментов TET, которое включает TET1, TET2 и TET3. Эксперименты подтвердили, что уровни фермента TET1 – но не TET2 или TET3 – снижаются с возрастом. Возрастные различия в уровнях TET1, но не TET2, сохранялись в поврежденном спинном мозге взрослого человека во время восстановления миелина.
Чтобы подтвердить эти данные, были выведены особые мыши, у которых отсутствовал фермент TET1. Исследователи сообщили, что эти мыши не различались по размеру тела, весу, выживаемости и не демонстрировали каких-либо очевидных двигательных проблем по сравнению с контрольными мышами. Кроме того, потеря TET1 не влияла на миелинизацию взрослых во время развития мышей.
Однако в ответ на повреждение LPC у взрослых мышей без фермента TET1 обнаружено дефектное гидроксиметилирование ДНК и нарушение репарации миелина по сравнению с контролем. Кроме того, анализ под микроскопом обнаружил меньше ремиелинизированных аксонов у мышей с мутантом TET1 после травмы, что подтвердило «неспособность взрослых OPC достичь высоких уровней гидроксиметилирования ДНК, как это наблюдается у старых мышей и конститутивных мутантов Tet1 », – пишут исследователи.
Поскольку гидроксиметилирование ДНК контролирует активность генов, команда решила определить, какие гены могут быть изменены во время репарации миелина. Команда обнаружила 5 583 гена с гидроксиметилированными областями, и большинство из этих генов были гидроксиметилированы во время перехода от взрослых OPC к олигодендроцитам. Затем было показано, что TET1 необходим для активации генов, связанных с репарацией миелина после демиелинизации у взрослых мышей после повреждения LPC.
«Эти результаты определяют функцию TET1 как незаменимую для миелинизации в процессе развития, но важную для активации транскрипционной программы, связанной с восстановлением миелина после демиелинизации», – пишут исследователи.
В качестве доказательства принципа был выбран для исследования один из генов-мишеней TET1 – Slc12a2 . Этот ген кодирует белковый канал SLC12A2, который транспортирует ионы натрия, калия и хлора через мембраны нервных клеток. SLC12A2 регулирует ответы OPC на нервные сигналы и обогащается вновь образованными олигодендроцитами.
Было показано, что активность Slc12a2 зависит от TET1 и снижается вместе с ферментом в зависимости от возраста. Активность Slc12a2 была выше во время репарации миелина у молодых мышей, но не во время неэффективной ремиелинизации у старых мышей – из-за более низких уровней TET1 и снижения гидроксиметилирования ДНК.
«Мы обнаружили, что уровни TET1 постепенно снижаются у старых мышей, и поэтому ДНК больше не может быть должным образом модифицирована, чтобы гарантировать образование функционального миелина», – добавил Мойон.
Кроме того, SLC12A2 был расположен на границе раздела между аксонами и миелином у молодых мышей, но также обнаружен на границе воспаленных аксонов и миелина у старых мышей. Эти результаты «предполагают важность генов-мишеней TET1 в регуляции накопления жидкости на этом интерфейсе», – добавили исследователи.
Наконец, чтобы поддержать эти результаты, ученые использовали данио модель с мутацией в разводили slc12a2b гена – данио контрагентом Slc12a2 гена. В то время как миелин обычно образуется у этих мутантных рыб в раннем возрасте, со временем в отдельных миелиновых оболочках появляется локализованное набухание.
«Наше исследование определяет главную роль TET1-опосредованного гидроксиметилирования ДНК как регулятора экспрессии генов во время репарации миелина, которая становится дефектной с возрастом», – заключили исследователи.
«В этом отношении стоит отметить резкое подавление ферментов TET, обнаруженное в посмертной мозговой ткани пациентов с рассеянным склерозом, что подчеркивает общий трансляционный потенциал наших результатов», – добавили они.
«Это недавно выявленное возрастное снижение TET1 может объяснить неспособность пожилых людей формировать новый миелин», – сказала Патриция Касачия, доктор медицинских наук, ведущий автор исследования и профессор ASRC .
«Я считаю, что изучение влияния старения на глиальные клетки в нормальных условиях и у людей с нейродегенеративными заболеваниями в конечном итоге поможет нам разработать более эффективные терапевтические стратегии для замедления прогрессирования разрушительных заболеваний, таких как рассеянный склероз и болезнь Альцгеймера», – сказал Касачча.
