Entdeckung eines neuen Mechanismus für das DNA-Gedächtnis

Zusammenfassung: Forscher haben einen neuen Mechanismus identifiziert, der die Gedächtnisbildung durch Veränderungen in der Struktur der DNA, insbesondere der G-Quadruplex-DNA (G4-DNA), beeinflusst. Ihre Studie zeigt, dass sich G4-DNA in Neuronen ansammelt und die Aktivierung und Unterdrückung von Genen dynamisch beeinflusst, die für das Langzeitgedächtnis wichtig sind.

Mithilfe der CRISPR-Technologie konnte das Team nachweisen, dass die DNA-Helikase DHX36 die G4-DNA-Strukturen im Gehirn direkt reguliert. Diese Entdeckung verändert nicht nur unser Verständnis der Rolle der DNA im Gedächtnis, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten zur Erforschung gedächtnisbezogener Störungen.

Wichtige Fakten:

1. Die Studie liefert den ersten Beweis für das Vorhandensein von G4-DNA in Neuronen und unterstreicht deren funktionelle Rolle bei der Regulierung der mit dem Gedächtnis verbundenen Genexpression.
2. Forscher verwendeten fortschrittliche CRISPR-basierte Genbearbeitung, um zu bestimmen, wie G4-DNA-Strukturen im Gehirn organisiert sind, und fanden eine entscheidende Rolle für die DNA-Helikase DHX36.
3. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Struktur der DNA, über ihre reine Sequenz hinaus, eine entscheidende Rolle dabei spielt, wie Erfahrungen im Gehirn kodiert werden, was sich auf die Behandlung von Gedächtnisstörungen auswirken kann.

Quelle: Queensland Brain Institute

Ein internationales Forschungsteam, zu dem auch Wissenschaftler des Queensland Brain Institute (QBI) der University of Queensland gehören, hat einen neuen Mechanismus entdeckt, der dem Gedächtnis zugrunde liegt und schnelle Veränderungen in einer bestimmten DNA-Struktur beinhaltet.

Das Team fand heraus, dass sich G-Quadraplex-DNA (G4-DNA) in Neuronen ansammelt und die Aktivierung und Unterdrückung von Genen, die der Bildung des Langzeitgedächtnisses zugrunde liegen, dynamisch steuert.

Darüber hinaus enthüllte das Team mithilfe fortschrittlicher CRISPR-basierter Genbearbeitungstechnologie den Kausalmechanismus, der der G4-DNA-Regulation im Gehirn zugrunde liegt und die ortsspezifische Ablagerung der DNA-Helikase DHX36 beinhaltet.

Die neue Studie veröffentlicht in Zeitschrift für NeurowissenschaftenBietet den ersten Beweis dafür, dass G4-DNA in Neuronen vorhanden ist und funktionell an der Expression verschiedener Gedächtniszustände beteiligt ist.

Die von Dr. Paul Marshall von der Australian National University, QBI und einem Team von Mitarbeitern der Universität Linköping, des Weizmann Institute of Science und der University of California Irvine durchgeführte Studie unterstreicht die Rolle, die dynamische DNA-Strukturen bei der Gedächtniskonsolidierung spielen.

DNA-Flexibilität

Seit Jahrzehnten halten viele Wissenschaftler die DNA-Frage für gelöst. DNA ist weithin als rechtsdrehende Doppelhelix bekannt, wobei Änderungen an dieser Struktur nur während der DNA-Replikation und -Transkription auftreten.

Diese Struktur enthält zwei DNA-Stränge mit vier Basen: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C), die zusammen die Sprossen der DNA-Leiter bilden.

Wir wissen jetzt, dass dies nicht die ganze Geschichte ist. QBI-Professor Tim Brady erklärt, dass DNA verschiedene Konformationszustände annehmen kann, die für zelluläre Prozesse funktionell wichtig sind.

„Die DNA-Topologie ist viel dynamischer als eine feste rechtsdrehende Doppelhelix, wie die meisten Forscher auf diesem Gebiet annehmen“, sagte Professor Priddy.

„Tatsächlich wurden bisher mehr als 20 verschiedene Zustände der DNA-Struktur identifiziert, von denen jeder wahrscheinlich eine andere Rolle bei der Regulierung der Genexpression spielt.“

In der neuen Studie konnte das Team nun zeigen, dass ein großer Teil dieser Strukturen ursächlich an der Regulierung der aktivitätsabhängigen Genexpression beteiligt ist und für die Gedächtnisbildung benötigt wird.

Obwohl epigenetische Veränderungen gut mit der neuronalen Plastizität und dem Gedächtnis in Zusammenhang stehen, ist bisher wenig darüber bekannt, wie lokale Veränderungen in der DNA-Struktur die Genexpression beeinflussen.

G4-DNA reichert sich in Zellen an, wenn sich Guanin zu einer stabilen viersträngigen DNA-Struktur faltet. Zwar gibt es Belege für die Rolle dieser Struktur bei der Transkriptionsregulation, doch vor dieser Studie wurde ihre Beteiligung an der erfahrungsabhängigen Genexpression nicht untersucht.

G4-DNA reguliert das Gedächtnis

G4-DNA reichert sich während des Lernens vorübergehend in aktiven Neuronen an. Diese Quartärstruktur wird innerhalb von Millisekunden oder Minuten mit der gleichen Geschwindigkeit der neuronalen Transkription als Reaktion auf Erfahrungen gebildet.

Somit könnte die G4-DNA-Struktur je nach Aktivität an der Förderung oder Abschwächung der Transkription in aktiven Neuronen beteiligt sein, um unterschiedliche Gedächtniszustände zu ermöglichen.

Dieser Mechanismus gibt Aufschluss darüber, wie die DNA dynamisch auf Erfahrungen reagiert, und legt nahe, dass sie die Fähigkeit besitzt, Informationen nicht nur in ihrem Code oder genetisch, sondern auch strukturell zu speichern.

– Erinnerungen an die Angst auslöschen

Das Aussterben konditionierter Angst ist eine wichtige Verhaltensanpassung für das Überleben. Das Aussterben der Angst hängt von der Bildung neuer, langfristiger Erinnerungen mit ähnlichen Umweltelementen ab, die mit der mit der Angst verbundenen Erinnerung konkurrieren und diese übernehmen.

Die Bildung langfristiger Extinktionsgedächtnisse hängt von koordinierten Veränderungen der Genexpression ab.

Professor Priddy sagte, es sei jetzt klar, dass die aktivitätsinduzierte Genexpression, die dem Aussterben zugrunde liegt, ein eng koordinierter Prozess sei.

„Dieser Prozess beruht auf zeitlichen Wechselwirkungen zwischen der Transkriptionsmaschinerie und einer Vielzahl von DNA-Strukturen, einschließlich G4-DNA, und wird nicht, wie oft angenommen, ausschließlich durch DNA-Sequenzen oder DNA-Modifikationen bestimmt.

„Diese Entdeckung erweitert unser Verständnis darüber, wie DNA als hochdynamisches Transkriptionskontrollgerät beim Lernen und Gedächtnis funktioniert.“

Über Neuigkeiten aus den Bereichen Genetik, Lernen und Gedächtnisforschung

Autor: Tim Brady
Quelle: Queensland Brain Institute
Kommunikation: Tim Brady – Queensland Brain Institute
Bild: Bildquelle: Neuroscience News

Ursprüngliche Suche: Geschlossener Zugang.
„DNA G-Quadruplex ist ein Transkriptionskontrollgerät, das das Gedächtnis reguliert„Von Tim Brady et al. Zeitschrift für Neurowissenschaften

eine Zusammenfassung

DNA G-Quadruplex ist ein Transkriptionskontrollgerät, das das Gedächtnis reguliert

Der Konformationszustand der DNA reguliert die Transkriptionsrate und die RNA-Häufigkeit.

Hier berichten wir, dass sich G-Quadruplex-DNA (G4-DNA) erfahrungsabhängig in Neuronen ansammelt und dass dies für die Stummschaltung und vorübergehende Aktivierung von Genen erforderlich ist, die entscheidend am Lernen und Gedächtnis bei männlichen C57/BL6-Mäusen beteiligt sind .

Darüber hinaus beeinträchtigt die ortsspezifische Auflösung von G4-DNA durch dCas9-vermittelte Ablagerung der DHX36-Helikase das Angst-Extinktions-Gedächtnis. Dynamische DNA-Strukturzustände stellen somit einen wichtigen molekularen Mechanismus dar, der der Gedächtniskonsolidierung zugrunde liegt.