کشف ساختارهای دینامیکی DNA برای تنظیم حافظه

به گزارش واحد ژنتیک پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، یک تیم تحقیقاتی مشترک بین المللی، از جمله دانشمندان مؤسسه مغز کوئینزلند، مکانیسم جدیدی را در زمینه حافظه کشف کرده اند که شامل تغییرات سریع در یک ساختار DNA خاص است. این تیم دریافتند که DNA G-quadraplex (G4-DNA) در نورون ها تجمع می یابد و به صورت پویا فعال سازی و سرکوب ژن های زیربنایی شکل گیری حافظه بلندمدت را کنترل می کند. علاوه بر این، با استفاده از فناوری پیشرفته ویرایش ژن مبتنی بر CRISPR، این تیم مکانیسم علّی زیربنایی تنظیم G4-DNA در مغز را آشکار کردند که شامل رسوب مستقیم DNA هلیکاز DHX36 است. مطالعه جدید اولین شواهدی را ارائه می دهد که G4-DNA در نورون ها وجود دارد و از نظر عملکردی در بیان حالات مختلف حافظه نقش دارد.

این مطالعه نقش ساختارهای DNA پویا در تثبیت حافظه را برجسته می کند. برای چندین دهه، بسیاری از دانشمندان موضوع DNA را حل شده می دانستند. DNA به طور گسترده ای به عنوان یک مارپیچ دوگانه راست دست شناخته می شود و تغییرات در این ساختار تنها در طول همانندسازی و رونویسی DNA رخ می دهد. این ساختار شامل دو رشته اسید نوکلئیک با چهار باز است: آدنین (A) و تیمین (T)، گوانین (G) و سیتوزین (C) که با هم جفت می شوند و پله های نردبان DNA را تشکیل می دهند. اکنون می دانیم که این داستان کامل نیست. پروفسور تیم بریدی توضیح می دهد که DNA می تواند حالت های ساختاری مختلفی را در نظر بگیرد که از نظر عملکردی برای فرآیندهای سلولی مهم هستند. توپولوژی DNA بسیار پویاتر از مارپیچ دوگانه سمت راست است که توسط اکثر محققان در این زمینه فرض می شود. در واقع بیش از 20 حالت مختلف ساختار DNA تا به امروز شناسایی شده است که هر کدام به طور بالقوه نقش متفاوتی در تنظیم بیان ژن ایفا می کنند.

در مطالعه اخیر نشان داده شده است که بخش قابل توجهی از این ساختارها به طور علّی در تنظیم بیان ژن وابسته به فعالیت نقش دارند و نیاز به تشکیل حافظه دارند. اگرچه تغییرات اپی ژنتیکی ارتباط ثابتی با شکل پذیری عصبی و حافظه دارند، تا به امروز، اطلاعات کمی در مورد اینکه چگونه تغییرات موضعی در ساختار DNA بر بیان ژن تأثیر می گذارد، وجود داشته است. G4-DNA در سلول ها تجمع می یابد که گوانین ها در ساختار DNA چهار رشته ای پایدار جمع می شوند. در حالی که شواهدی برای نقش این ساختار در تنظیم رونویسی وجود دارد، قبل از این مطالعه، دخالت آن در بیان ژن وابسته به تجربه بررسی نشده بود. G4-DNA به طور موقت در نورون های فعال در طول یادگیری تجمع می یابد. شکل گیری این ساختار چهارطرفه در طول میلی ثانیه یا دقیقه، با همان سرعت رونویسی عصبی در پاسخ به یک تجربه، صورت می گیرد. بنابراین ساختار G4-DNA می تواند در تقویت و اختلال رونویسی در نورون های فعال، بر اساس فعالیت آنها، نقش داشته باشد تا حالت های حافظه مختلف را فعال کند. این مکانیسم نشان می دهد که DNA چگونه به صورت دینامیکی به تجربه پاسخ می دهد و نشان می دهد که ظرفیت ذخیره اطلاعات نه تنها در کد یا اپی ژنتیک، بلکه از نظر ساختاری نیز دارد.

انقراض ترس شرطی یک سازگاری رفتاری است که برای بقا حیاتی است. انقراض ترس بر تشکیل خاطرات بلندمدت جدید با عناصر محیطی مشابه، برای رقابت و تسخیر حافظه مرتبط با ترس متکی است. شکل گیری خاطرات انقراض طولانی مدت به تغییرات هماهنگ در بیان ژن بستگی دارد. اکنون آشکار است که بیان ژن ناشی از فعالیت در زمینه انقراض یک فرآیند کاملاً هماهنگ است. این فرآیند به جای اینکه تنها با توالی DNA یا اصلاح DNA مشخص شود، به تعاملات زمانی بین ماشین رونویسی و انواع ساختارهای DNA، از جمله G4-DNA بستگی دارد. این کشف درک محققان را از نحوه عملکرد DNA به عنوان یک دستگاه کنترل رونویسی بسیار پویا در یادگیری و حافظه گسترش می دهد.