Przestrzeń rządzi nie tylko genami – rządzi nawet psychiką

Część  zaburzeń  psychicznych  ma  podłoże  genetyczne.  Naukowcy  z  Instytutu  Biologii Doświadczalnej PAN im. M. Nenckiego w Warszawie i hiszpańskiego Instituto de Neurociencias de Alicante (INA) wykazali jednak, że powiązanie między psychiką a genami może być bardziej subtelne,  niż  do  tej  pory  sądzono.  U  genetycznie  zmodyfikowanych  laboratoryjnych  myszy zaobserwowano  bowiem  zmiany  w  przestrzennym rozmieszczeniu  włókien  materiału genetycznego w neuronach – oraz towarzyszące im zaburzenia w zachowaniu. Wyniki badań zespołu,  kierowanego  przez  prof.  Angela  Barco  (INA),  opublikowano  na  łamach  słynnegoczasopisma „Nature Communications”.

„DNA w komórkach nie jest nagie – jest owinięte wokół białek nazywanych histonami, tworząc włókna chromatyny”, zaczyna wyjaśniać dr Adriana Magalska z Instytutu Nenckiego i zaraz dodaje:
„Większość  osób  na  pewno  kojarzy,  że  chromosomy  w  ludzkich  komórkach  przypominają wyglądem  literę  X.  To  właśnie  odpowiednio  zwinięta  chromatyna  odpowiada  za  tak
charakterystyczne upakowanie materiału genetycznego”.

Aby móc obserwować chromatynę, naukowcy oznaczyli ją za pomocą białka zielonej fluorescencji. Green Fluorescent Protein (GFP) to nietoksyczne białko, które po oświetleniu laserem świeci na
zielono. W biologii molekularnej używa się go m.in. do znakowania określonych typów komórek i badania  aktywności  genów.  Ma  tak  wielorakie  zastosowania,  że  za  jego  odkrycie  przyznano
nagrodę Nobla.

Gen wytwarzający białko GFP działa u myszy badanych przez polsko-hiszpański zespół tylko w neuronach i pozostaje nieaktywny, gdy myszom podaje się jeden z antybiotyków – doksycyklinę. Jeśli więc mysz od urodzenia otrzymuje antybiotyk, gen nie działa i zwierzę rozwija się normalnie. W dogodnym dla badaczy momencie doksycyklinę można odstawić i uaktywnić produkcję GFP w neuronach,  co  pozwala  zaobserwować,  jakie  zmiany  zaszły  w  tych  komórkach  wskutek prowadzonych  eksperymentów.  Co  jednak  najważniejsze,  dzięki  zastosowaniu  inżynierii genetycznej, u zmodyfikowanych genetycznie myszy GFP jest sprzężone z jednym z histonów chromatyny.  Oznacza  to,  że  w  praktyce  cała  chromatyna  transgenicznych  myszy  jest wyznakowana białkiem GFP.

„Dzięki  GFP  możemy  obserwować  pod  mikroskopem  pewne obiekty w jądrach  komórkowych mysich neuronów, nazywane chromocentrami. Zawierają one geny, które są nieaktywne”, mówi dr hab. Grzegorz Wilczyński, profesor Instytutu Nenckiego.

 Własne, opatentowane oprogramowanie do analizy obrazu, autorstwa dr. Błażeja Ruszczyckiego z Instytutu Nenckiego, umożliwiło badaczom przekształcanie sekwencji zdjęć mikroskopowych w trójwymiarową  wizualizację.  Dzięki  niej  polscy  naukowcy  stwierdzili  występowanie  wyraźnych różnic w budowie przestrzennej chromatyny u myszy transgenicznych z aktywowanym genem produkującym białko GFP sprzężone z histonem. Trójwymiarowa struktura chromatyny w jądrach neuronów transgenicznych myszy okazała się być inna niż u myszy dzikich: chromocentra nie były już  ciasno  skupione,  lecz  większe  i  bardziej  „rozmyte”.  Okazało  się  również,  że  zmieniona konfiguracja przestrzenna wpływa na produkcję białek wytwarzanych przez niektóre geny, co w konsekwencji prowadzi do innych niż zwykle zachowań myszy.

 „U myszy transgenicznych zaobserwowaliśmy wyraźnie niższy poziom receptorów serotoniny i dopaminy.  Oba  białka  mają  związek  m.in.  z  procesami emocjonalnymi,  w  tym  zaburzeniami depresyjnymi”, opisuje dr Magalska.

Informacja  o  niedoborach  obu  białek  pozwoliła  hiszpańskiej  części  zespołu  przeprowadzić dokładniejsze niż zazwyczaj testy zachowań zwierząt. Wyniki były jednoznaczne. W porównaniu z dzikimi,  zmodyfikowane  myszy  były  hiperaktywne,  wykazywały  objawy  autyzmu,  miały  też problemy z zapamiętywaniem oraz nawiązywaniem interakcji z innymi osobnikami.

Rezultaty prac hiszpańsko-polskiego zespołu oznaczają, że aktywacja genu wytwarzającego białko GFP połączone z histonem chromatyny prowadzi w neuronach myszy do zmian o charakterze
epigenetycznym,  czyli  takich,  w  których  o  aktywacji  i  deaktywacji  genów  decyduje  nie  tyle sekwencja DNA, ile jego bezpośrednie otoczenie. Zmiany te wpływają na działanie neuronów, co skutkuje pojawianiem się zaburzeń zachowania u myszy.

„Jeśli zmiany w przestrzennym ułożeniu włókien DNA skutkują zaburzeniami neuropsychicznymi u myszy, wydaje się prawdopodobne, że mogą do nich prowadzić także u ludzi. Może to mieć znaczenie  np.  w  przypadku  autyzmu.  Odkrycie  wskazuje  więc  przyszłe  obszary  badań,  o potencjalnie ważnym znaczeniu dla rozwoju nowoczesnej medycyny”, mówi prof. Wilczyński.

Ale polsko-hiszpańska publikacja jest istotna także z innego względu. Od lat w laboratoriach całego  świata  genetycznie  modyfikowane  myszy  są  używane  w  doświadczeniach  nad
zachowaniem. Do tej pory wszyscy naukowcy byli przekonani, że wprowadzenie białka GFP nie wpływa na reakcje zwierząt. Teraz wiadomo już, że tak nie jest. Część dotychczas opublikowanych
prac naukowych może więc bazować na niewłaściwie interpretowanych danych.