Изучение пространственных элементов новой среды важно для людей и животных. Однако как этот процесс происходит в мозге, остается малоизученным. Длинные некодирующие РНК (lncRNA) в изобилии экспрессируются в мозге; хотя их роль изучается преимущественно в процессе развития, все больше доказательств указывает на их функцию и во взрослом мозге. Недавно команда из Научного института Вейцмана в работе, опубликованной в журнале Cell Reports, показала, что lncRNA Silc1 регулирует пространственное обучение в незнакомой среде у мышей.¹ Разгадка внутренней работы этих сложных систем может помочь ученым понять, как происходит потеря усвоенной информации при неврологических заболеваниях.

Rotem Perry, нейробиолог из лаборатории Игоря Улицкого, биолога РНК и соавтора статьи, объединила свою работу по изучению некодирующих РНК в нейронах со своим интересом к нейрогенезу. "Мы решили, что попробуем выяснить, есть ли lncRNA, которые важны для регенерации", - говорит она.

Команда показала, что экспрессия Silc1 влияет на экспрессию Sox11 во время регенерации нейронов.² Sox11 - это транскрипционный фактор, изучаемый преимущественно во время нейрогенеза в эмбриональном развитии.³ Для дальнейшего изучения функции этой lncRNA команда проанализировала общедоступные наборы данных RNA-seq и увидела, что Silc1 и Sox11 высоко экспрессируются в гиппокампе. "Это заставило нас сосредоточиться на изучении функций мозга, связанных с гиппокампом", - говорит Ulitsky. По словам Ulitsky, формирование пространственной памяти является ключевой функцией этой области мозга.



Изображение человеческого мозга синего цвета на темном фоне с синими и белыми линиями, окружающими мозг, чтобы представить строительство новых связей в мозге. Defying Dogma: Decentralized Translation in Neurons Читать далее

Команда разместила мышей в обычных клетках, а другую группу мышей поместила в новую среду, где они использовали лабиринт Барнса, состоящий из круглой приподнятой платформы с отверстиями по периметру, одно из которых соединялось с туннелем для побега. Они обнаруживали Silc1 и Sox11 в гиппокампе мозга мышей с помощью метода гибридизации in situ, в котором использовалась флуоресцентная РНК-метка. "Таким образом, мы смогли увидеть, где они экспрессируются и как меняются в новой среде", - говорит Perry.

По сравнению с мышами, содержавшимися в обычных условиях, животные, помещенные в новую среду, экспрессировали больше Sox11 и Silc1. Затем исследователи определили, влияет ли экспрессия Silc1 на экспрессию Sox11, удалив Silc1. В отсутствие Silc1 у взрослых мышей, помещенных в новую среду, эти мишени Sox11 уменьшались, что приводило к снижению выработки белка Sox11. "Мы были очень удивлены, увидев, что он действует как ген немедленного раннего развития", - говорит Perry.



Флуоресцентное изображение гиппокампа мыши с красными, зелеными и синими маркерами. Мыши с дефицитом Silc1 (два правых столбца) экспрессируют меньше Sox11 в двух областях гиппокампа (сверху и снизу) по сравнению с нормальными мышами (два левых столбца). РОТЭМ ПЕРРИ

Далее исследователи изучили роль Silc1 и Sox11 в гиппокампе. Поскольку пространственное обучение и хранение кратковременной памяти происходят в гиппокампе, команда исследовала эти параметры у нормальных и Silc1-дефицитных мышей с помощью водного лабиринта Морриса и лабиринта Барнса. В водном лабиринте Морриса мыши плавали в контейнере с непрозрачной водой, чтобы найти погруженную платформу, используя для ориентации визуальные подсказки, расположенные вокруг резервуара. Мышам с дефицитом Silc1 потребовалось больше времени, чтобы узнать, где находятся платформа и туннель для побега в соответствующих лабиринтах, по сравнению с мышами с нормальной экспрессией Silc1. Однако к концу исследования лабиринтов мыши с дефицитом Silc1 и нормальные мыши показали сопоставимые результаты, что свидетельствует о том, что дефицит Silc1 не нарушает долговременную память.

"Это действительно здорово, что длинная некодирующая РНК задействуется новизной - что у вас есть физиологический стимул, который так специфически регулирует эту длинную некодирующую РНК, и что вы можете различать, например, два типа памяти, на которые она влияет: пространственная память, но не долгосрочная память", - сказал Jeroen Pasterkamp, нейробиолог из Университетского медицинского центра Утрехта, который не участвовал в исследовании.

Чтобы определить, как экспрессия Silc1 и Sox11 влияет на пространственное обучение, группа избыточно экспрессировала Sox11 у мышей, провела секвенирование РНК и выявила подмножество генов, активируемых Sox11. Уровни многих из них также повышались во время эмбрионального развития. В отсутствие Silc1 эти мишени Sox11 не экспрессируются, когда животные попадают в новую среду.

В ходе последующего анализа команда провела секвенирование одноядерной РНК с последующим анализом онтологии генов в тканях гиппокампа нормальных и Silc1-дефицитных мышей, чтобы изучить функции генов, регулируемых Sox11. Они показали, что многие из этих генов соответствуют таким видам деятельности, как синаптическая передача, направление аксона и дендритная локализация. Они пришли к выводу, что многие из путей, которые Sox11 использует для нейрогенеза во время развития, также используются для обучения во взрослом мозге, и в это время их активность через Sox11 зависит от Silc1.

"Мы видим, что программа, которая, как обычно считается, происходит только в процессе роста и формирования мозга, реактивируется во время формирования памяти", - говорит Ulitsky. "Но с другой стороны, мы видим, что длинная некодирующая РНК, которая активирует эту программу, на самом деле вообще не встречается в эмбрионе".



Концептуальное изображение, показывающее молекулы, составляющие форму мозга. Некодирующие регуляторы мозга

Читать далее

Perry RB-T, et al. Silc1 long noncoding RNA is an immediate-early gene promoting efficient memory formation. Cell Rep. 2023;42(10):113168

Perry RB-T, et al. Regulation of neuroregeneration by long noncoding RNA. Molec Cell. 2018;72:553-567

Tsang SM, et al. Regulatory roles for SOX11 in development, stem cells, and cancer. Semin Cancer Biol. 2020;67(1):3-11