<ruby id="1xrdj"><menuitem id="1xrdj"><th id="1xrdj"></th></menuitem></ruby>

<noframes id="1xrdj"><span id="1xrdj"><th id="1xrdj"></th></span>

<em id="1xrdj"></em>

    為了好好學習,你大腦里的DNA都裂開了
    來源:環球科學
    發布時間:2021-09-10
    瀏覽次數:381

      DNA雙鏈斷裂被認為是一種極其危險的DNA損傷,通常與癌癥、神經退化和衰老有關。但一些神經學家發現,大腦神經元中的DNA雙鏈能在多處裂開,以幫助逃避危險和快速學習。這個“走鋼絲”一樣的過程在人體中可能十分普遍,而人體如何平衡這一過程,以及它帶來的好處和后果正在一一被揭示。

      撰文 |?Jordana Cepelewicz

      翻譯 | 曾欣欣

      編輯 | 石云雷

      不被接受的DNA雙鏈斷裂?

      面對威脅時,大腦必須迅速采取行動,神經元之間需要迅速建立新的連接,以區分出生存與死亡的差異。但是,這個反應過程也會增加大腦中的一些風險因素:正如一項近期研究發現,為了更快地學習和記憶,大腦中神經元會在多個關鍵的地方撕裂DNA,然后再修復斷裂的基因組。

      這一發現不僅為我們了解大腦的可塑性提供了一些見解,它還表明,DNA斷裂可能是一個常規且重要的細胞過程。這一發現對我們如何看待衰老和疾病、如何看待通常被視為由于運氣極差才會出現的基因事件,具有啟示意義。

      這一發現令人驚訝的原因是,DNA的兩條鏈同時在一個位點斷裂,是一種特別危險的基因損傷,通常只與癌癥、神經退化和衰老有關。與其他類型的DNA損傷相比,DNA雙鏈斷裂更難以修復,因為沒有一個完整的模板來指導雙鏈的再次連接。(DNA中的一條鏈斷裂后,可以以另一條為模板進行修復。)

      然而,早有研究表明,DNA雙鏈斷裂有時也會發揮積極的作用。當細胞分裂時,雙鏈DNA斷裂使得染色體之間能進行正常的基因重組。在免疫系統的發育過程中,DNA片段之間能通過重組,產生各種類型的抗體。雙鏈斷裂也和神經元發育有關,它能幫助表達某些特定的基因。盡管如此,這些功能似乎只被認為是細胞中的一些特例,DNA雙鏈斷裂仍是被認為是意外,不為科學界所接受。

      學習會使DNA裂開?

      但是,這個故事在2015年出現了一個轉折點。當時,麻省理工學院皮考爾學習與記憶研究所的所長、神經科學家Li-Huei Tsai和同事正在跟進之前的研究工作,這些研究顯示阿爾茨海默病與大腦神經元中DNA雙鏈斷裂的積累有關。令人驚訝的是,研究人員發現刺激培養的神經元,會促使它們的DNA雙鏈斷裂,而這種斷裂會迅速增加12個和突觸活動相關的、快反應基因的表達,它們均與學習和記憶有關。

      雙鏈斷裂在調節基因表達方面,具有十分重要的作用,而基因的活性對神經元的功能至關重要。Tsai和同事推測,DNA雙鏈斷裂實際上會釋放吸附在扭曲的DNA雙鏈上的酶,使它們能夠快速轉錄斷裂處附近的相關基因。Tsai表示,這個想法“遭到了很多質疑。人們很難想象DNA雙鏈斷裂實際上是一個很重要的生理過程?!?/span>

      雖然如此,澳大利亞昆士蘭大學的博士后研究員Paul Marshall和同事還是決定跟進這一研究。2019年,他們發表了一項研究成果,證實并進一步補充了Tsai團隊的觀測結果。結果顯示,DNA雙鏈斷裂會引發了兩波基因轉錄增強,一波是即時的,另一波發生在斷裂數小時后。

      Marshall和同事提出了一個兩步機理來解釋這一現象:當DNA斷裂時,一些酶分子能被釋放出來,用于進行基因轉錄(正如Tsai的團隊所認為的那樣)。斷裂位點處的DNA會被甲基化,這是一種常見的表觀遺傳標記。隨后,當受損DNA開始修復時,這些甲基化標記會被移除,在這一過程中,更多的酶會脫離DNA鏈,開始第二輪轉錄。

      Marshall說:“DNA雙鏈斷裂不僅會觸發基因轉錄,它還會成為一個標記,而這個標記本身在調節和引導參與修復的酶到達斷裂位點的過程中,發揮了重要作用?!?/span>從那以后,其他研究也證明了類似情況的存在。去年發表的一篇論文指出,DNA雙鏈斷裂不僅和恐懼記憶的形成有關,還與人們對它的回憶有關。

      這個致癌機制很常見?

      近期,在一項發表于PloS?ONE的新研究中,Tsai和同事表明,這種違背直覺的基因調控機制,可能在大腦中普遍存在。這一次,他們沒有研究培養的神經元,而是觀察了活體小鼠腦部的神經元,這些小鼠正在學習將一個環境與電擊聯系起來。他們在繪制受到電擊的小鼠的前額皮層和海馬體神經元中、雙鏈斷裂附近的基因圖譜時,發現近數百個基因附近都發生了雙鏈斷裂,其中許多基因參與和記憶相關的突觸過程。

      然而,同樣有趣的是,在沒有受到電擊的小鼠的神經元中,也會出現了一些DNA雙鏈斷裂的情況?!霸诖竽X中,DNA雙鏈斷裂是一個正常的生物學過程,”弗吉尼亞理工學院暨州立大學的神經科學家Timothy Jarome說,他沒有參與這項研究,但進行過相關研究?!拔艺J為這是最令人驚訝的一個發現,因為這表明這個過程一直都在發生?!?/span>

      為了進一步支持這一結論,科學家們還發現在大腦的非神經元細胞——神經膠質細胞——中也存在DNA雙鏈斷裂的情況。在神經膠質細胞中,這一過程能幫助調節不同類型的基因的表達。這一發現表明神經膠質細胞在記憶的形成和儲存中發揮了作用,此外還顯示了DNA斷裂可能參與調控許多其他類型的細胞中的基因表達。Jarome稱:“這一機制的應用可能比我們想象的更為廣泛?!?/span>

      即使DNA斷裂是一種特別快速的、誘導關鍵基因表達的方法,但它產生一定的風險,使得細胞無法履行記憶鞏固等細胞功能。如果DNA雙鏈斷裂一次又一次發生在相同的位置并且沒有得到適當的修復,遺傳信息可能會丟失。除此之外,Tsai說:“這種類型的基因調控可能使神經元的基因組更易遭受損傷,特別是在衰老和神經元中毒的情況下?!?/span>

      “有趣的是,它在大腦中的出現如此頻繁,”哈佛醫學院神經學家和遺傳學家Bruce Yankner表示,“但是細胞可以修復這種損傷,且不會遭受毀滅性損傷?!?/span>

      這可能是因為DNA斷裂的修復過程是十分迅速且有效的。但隨著年齡的增長,這種情況可能會改變。Tsai、Marshall和其他人正在研究它是否可以成為阿爾茨海默病等疾病中一個導致神經退化的機制。Yankner表示,它也可能導致神經膠質瘤或大腦創傷后應激障礙。如果DNA雙鏈斷裂能調節神經系統之外細胞的基因表達,這種機制的崩潰還有可能導致肌肉萎縮或心臟病等疾病。

    廣告

      隨著科學家更好地理解人體內這一機制的細節和用途,最終它們或可以促進一種新的醫學療法的發展。Marshall表示,考慮到DNA雙鏈斷裂在基本的記憶過程中的重要性,僅僅試圖防止這一過程可能不是正確的方法。但這項工作還表明,我們需要停止以靜態的視角來看待基因組,而開始把它想象成一個會動態變化的事物。Marshall說道:“無論何時你利用、擾亂或改變DNA模板,這可能并不一定是一件壞事。

      他和同事已經開始研究一些調節異常、有害癥狀或疾?。ㄈ绯霈F癌癥)相關的、其他類型的DNA變化。他們已經發現了DNA變化在其中發揮的一些關鍵作用,還能調節基本的和記憶相關的過程。Marshall認為,許多研究人員仍難以將DNA雙鏈斷裂視為促進基因轉錄的一種基本的調控機制。他說:“它還沒有獲得廣泛關注,人們仍然認為這只是一種DNA損傷。”但他希望他的研究和Tsai團隊取得的新成果“將為其他人打開一扇門,促進更深入的研究。

      原文鏈接:

      https://www.quantamagazine.org/brain-cells-break-their-dna-to-learn-more-quickly-20210830/

      本文轉自環球科學



    歡迎掃碼入群!

    深圳科普將定期推出

    公益、免費、優惠的活動和科普好物!


    聽說,打賞我的人最后都找到了真愛。
    成年女人看片永久免费视频