Рано

Биология связи, том 6, Номер статьи: 18 (2023) Цитировать эту статью

3071 Доступов

40 Альтметрика

Подробности о метриках

Хорошо известно, что аэробные упражнения способствуют нейропластичности и памяти гиппокампа. В развивающемся мозге упражнения в раннем возрасте (ELE) могут привести к стойкому улучшению функции гиппокампа, однако молекулярные механизмы, лежащие в основе этого явления, до конца не изучены. В этом исследовании трансгенные мыши, несущие кассету «NuTRAP» (ядерная маркировка и аффинная очистка трансляционных рибосом) в нейронах, экспрессирующих Emx1 (мыши «Emx1-NuTRAP»), подвергаются ELE в подростковом возрасте. Затем мы одновременно изолируем и секвенируем транслируемую мРНК и ядерный хроматин из одиночных гомогенатов гиппокампа, содержащих нейроны, экспрессирующие Emx1. Этот подход позволил нам объединить данные транслатомного и эпигеномного секвенирования, чтобы оценить влияние модификаций гистонов H4K8ac и H3K27me3 на трансляцию мРНК после ELE. Подгруппа мышей ELE подверглась задаче обучения гиппокампа, чтобы определить экспрессию генов и эпигенетические основы вклада ELE в улучшение памяти гиппокампа. В результате этого эксперимента мы обнаружили отношения экспрессии генов и модификации гистонов, которые могут играть решающую роль в облегчении памяти после ЭЛЕ. Наши данные показывают взаимодействие модификаций гена-кандидата и гистонов и указывают на задействованные пути регуляции генов, участвующие во влиянии ELE на память гиппокампа.

Экологический опыт задействует эпигенетические механизмы для модуляции экспрессии генов и функций клеток в постмитотических нейронах1,2. Модификации гистонов и метилирование ДНК особенно важны для адаптации нейронов к сигналам окружающей среды путем изменения транскрипции и синаптической функции3,4. Было показано, что поведенческие результаты, такие как восприимчивость к стрессу, поиск вознаграждения и долговременная память, включают изменения в доступности хроматина и экспрессии генов в нейронах5,6,7,8,9. В дополнение к этому ландшафт нейронального хроматина претерпевает волны эпигенетических модификаций в зависимости от самого созревания мозга10,11,12. Постнатальные периоды повышенной чувствительности к раздражителям окружающей среды могут привести к длительным изменениям клеточных функций и могут быть результатом специфических во времени эпигенетических механизмов в развивающемся мозге13,14. Вопрос о том, находятся ли механизмы регуляции генов в постмитотических нейронах исключительно под влиянием опыта ранней жизни, определяющего долгосрочное функционирование, — это вопрос, который только начинает изучаться. Выявление эпигенетических процессов, участвующих в модуляции функций нейронов, особенно во время развития мозга, имеет решающее значение для понимания того, как опыт ранней жизни влияет на долгосрочные поведенческие результаты.

Аэробные упражнения улучшают производительность при выполнении когнитивных задач, связанных с гиппокампом, как у взрослых людей, так и у животных15,16. Тип, время и продолжительность воздействия физических упражнений имеют значение для того, оказывает ли оно стойкое влияние на функцию гиппокампа17,18,19. Результаты исследований как у подростков, так и у взрослых грызунов указывают на роль ферментов, модифицирующих гистоны, в механизмах улучшения памяти гиппокампа, вызванного физической нагрузкой. Как произвольные физические упражнения, так и лечение ингибитором HDAC3 активируют память гиппокампа после подпорогового стимула обучения, увеличивают экспрессию гена нейротрофического фактора головного мозга (BDNF) и способствуют ацетилированию H4K8 на промоторах специфических экзонов BDNF20,21,22. Это говорит о том, что упражнения задействуют эпигенетические регуляторные механизмы, способствующие пластичности гиппокампа. Интересно, что упражнения для взрослых также открывают временное окно для устойчивого улучшения показателей памяти гиппокампа при повторном воздействии упражнений23, что предполагает наличие «молекулярной памяти» о первоначальном упражнении23. Хотя многие из этих исследований проводились на взрослых, более поздние исследования показывают, что влияние физических упражнений на память гиппокампа, изменения в экспрессии нейротрофических факторов, синаптической пластичности и нейрогенезе схожи в юношеском и подростковом периодах17,24,25,26,27 . Предыдущие результаты нашей лаборатории показывают, что физические упражнения в раннем возрасте (ELE) в течение одной недели (юношеский период; послеродовые дни (P) 21–27) или трех недель (юношеский подростковый возраст; P21–41) способствуют формированию долговременной памяти в гиппокампе. в ответ на обучающий стимул, обычно недостаточный для формирования долговременной памяти. Это открытие было связано с увеличением долгосрочной потенциации (LTP), а также модуляцией синаптической физиологии в гиппокампе CA117. Примечательно, что эффекты памяти гиппокампа при ELE у несовершеннолетних сохранялись через две недели после прекращения физических упражнений, что потенциально дольше, чем влияние упражнений на функцию гиппокампа у взрослых23. Объединив эти результаты, вполне возможно, что упражнения (будь то в молодости или во взрослом возрасте) могут «задействовать» функцию гиппокампа для облегчения реакции на будущий опыт (например, будущие упражнения или обучающие мероприятия гиппокампа). Эпигенетические механизмы являются сильными кандидатами на стартовый эффект упражнений, поскольку эпигеном может представлять собой молекулярную память об опыте упражнений, подготавливая хроматиновый ландшафт к эффективной экспрессии генов, тем самым модулируя функции нейронов и поведенческие результаты22. Конкретные механизмы, лежащие в основе устойчивых поведенческих и электрофизиологических эффектов ELE, не были оценены с точки зрения потенциальной молекулярной памяти ELE в эпигеноме.

8 for all samples, average yield RNA = 14.367 ng/ul; Supplementary Data 2)28. INTACT-isolated nuclei were further processed using the cleavage under targets and release using nuclease (CUT&RUN38) method to isolate antibody-specific protein-DNA interactions for downstream DNA sequencing. The resulting DNA libraries were of high quality and concentration when using specific antibodies (H4K8ac: average size = 1238 bp, average concentration = 126.8 nM; H3K27me3: average size = 1032 bp, average concentration = 146.5 nM; Supplementary Data 2). In contrast, the resulting DNA libraries using the non-specific IgG control had substantially lower concentrations (IgG: average size = 1035 bp, average concentration = 24.2 nM; Supplementary Data 2) further indicating that nuclear DNA from both isolations was of high starting quality./p> 8 for all samples; Simultaneous isolations: average RNA concentration = 14.367 ng/ul, RIN > 8 for all samples; Supplementary Data 2). The average RNA yield from the separate isolations (using a unilateral hippocampus) was approximately equal to half of the average yield of the simultaneous isolations (which combined bilateral hippocampi; Supplementary Data 2). Similarly, the final library concentrations for the separately isolated IgG CUT&RUN-seq libraries were also approximately half the concentration of the simultaneous isolations (average simultaneous: 24.2 nM, average separate: 11 nM; Supplementary Data 2). We interpret this to mean that nuclear DNA was fully intact in the simultaneous isolation because we did not obtain substantially more than double the concentration in the simultaneous vs separate isolations. Unilateral hippocampal homogenates yielded sufficient sequencing concentrations and quality to allow for library preparations from individual mice (Supplementary Data 2)./p>0.5 and p value < 2.2 × 10−16 (R = 1, p < 2.2 × 10−16; Fig. 2a). Next, CUT&RUN-seq was used to identify genomic regions interacting with two histone post-translational modifications (PTMs) of interest in the exercise and hippocampal memory fields: H4K8ac, a permissive histone mark associated with active transcription, or H3K27me3, a generally repressive histone PTM. We again applied Spearman's correlation to understand whether the simultaneous vs separate INTACT isolation methods could influence CUT&RUN-seq peak distribution. We compared normalized count data for CUT&RUN-seq peaks across a representative chromosome (chromosome 2). We binned 100 bp increments along the entire chromosome from the simultaneous and separate isolations using datasets generated from sedentary mice in our study. Normalized sequencing counts, which reflected reads assigned to binned genomic regions along chromosome 2, were highly similar between separate vs simultaneous conditions (H4K8ac: R = 0.65, p < 2.2 × 10−16; H3K27me3: R = 0.81, p < 2.2 × 10−16; Fig. 2b, c). Taken together, these experiments suggest that translating mRNA and nuclear DNA isolated from hippocampal homogenates using either simultaneous or separate isolation procedures are comparable in terms of quality, concentration, functional characterization, and normalized sequencing reads./p>0.5 and p value < 2.2 × 10−16; Fig. 3g–i). Overall, left and right hippocampal hemispheres did not demonstrate significant differences in normalized sequencing counts and peak distributions in the sedentary condition, suggesting that choice of hippocampal hemisphere is a less important factor to consider in obtaining representative data from the translatome and transcriptional regulation via histone modifications./p>30% expression increase with a p value < 0.05) our TRAP-seq revealed 297 upregulated and 338 downregulated hippocampal genes resulting from ELE (Fig. 4a and Supplementary Data 3). Many of the genes upregulated after ELE are known to be involved in exercise and/or hippocampal memory mechanisms, including Bdnf44 and Nr4a145. To functionally categorize ELE-induced DEGs, we performed a Panther Gene Ontology (GO) analysis46 focusing on the Molecular Function categorization and separated by upregulated and downregulated genes. Regardless of gene expression directionality, GO term categories with the most genes functionally assigned to them were "binding", "catalytic activity", "molecular function regulator", "transporter activity", "molecular transducer activity", and "structural molecule activity" (Fig. 4b). Many of the upregulated genes driving these categories are known to have critical roles in neuronal function (Kcna1, Slc24a4, Stxbp5l, Gabra2, and Camk2n2), neurodevelopment (Artn, Kdm7a, Sox21, Gap43, and Efna5), and hippocampal memory (Bdnf, Nr4a1 and Dusp5)./p>0.3785 and p-value < 0.05). b Panther Gene Ontology: Molecular Function top terms by most genes assigned. c Top 6 "Upstream Regulators" identified by Ingenuity Pathway Analysis (IPA). d Representative Gene Set Enrichment Analysis: Reactome leading-edge diagrams showing genes upregulated (d) or downregulated (d′) in ELE, and their categories of enrichment. *Abbreviated terms in d: (1) "transport of mature mRNAs derived from intronless transcripts", d′: (2) "activation of the mRNA upon binding of the cap binding complex and EIFs and subsequent binding to 43S", (3) srp-dependent cotranslational protein targeting to membrane, and (4) response of eif2ak4 gcn2 to amino acid deficiency./p>

Новости