В ответ на возбуждение нейронов активируется транскрипция генов в ядре и синтез белков. Этот процесс лежит в основе синаптической пластичности, которая в том числе обеспечивает память. Ученые из Китая, Израиля и США выяснили, что существует аналогичное сопряжение активации нейронов и транскрипции митохондриальных генов. Они использовали in vitro и in vivo модели, чтобы показать, как активация возбуждающих нейронов приводит к притоку ионов кальция в митохондриям и запускает транскрипцию митохондриальной ДНК (мтДНК). Авторы также продемонстрировали, что при старении этот процесс нарушается, что сказываться на когнитивных способностях.
Сначала исследователи установили связь между активностью нейронов и синапсов и экспрессией митохондриальных генов. Они активировали возбуждающие нейроны в срезах гиппокампа мышей, предварительно обработав их пикротоксином — антагонистом рецепторов гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), таким образом заблокировав тормозные синапсы. Далее с помощью технологии RNAscope, которая позволяет визуализировать отдельные транскрипты мРНК in situ, исследователи продемонстрировали повышенную экспрессию гена Mtco1, который кодируется в мтДНК и необходим для окислительного фосфорилирования. В свою очередь, экспрессия этого гена не наблюдалась, если срезы обрабатывали соединением IMT1B — специфическим ингибитором митохондриальной полимеразы.
Аналогичное повышение экспрессии Mtco1 наблюдалось, если возбуждающие нейроны гиппокампа заражали аденоассоциированным вирусом (ААВ), несущим конструкт с каналородопсином 2 и флуоресцентной меткой, и активировали такие нейроны светом. Как и в предыдущем случае, экспрессия митохондриального гена нарушалась при воздействии IMT1B, а также антагонистов рецепторов NMDAR и AMPAR.
Такое сопряжение было обнаружено также in vivo. Возбуждающие нейроны гиппокампа мышей активировали в тесте на контекстуальную память: в определенных локациях на мышей воздействовали слабым электрическим током, и они должны были запомнить его и ожидать ток, найдя себя в уже знакомом месте. После разряда в гиппокампе мышей повышалась экспрессия ряда митохондриальных генов: Mtco1, Mtnd5, Mtnd6, Mtatp6/Mtatp8. Вместе с тем экспрессия генов Sdha, Mtco4, Atp5b, которые закодированы в ядре, хотя и необходимы в митохондриях, не изменялась.
С возрастом у мышей экспрессия митохондриальных генов в ответ на синаптическую активность повышалась не так значительно. По предположению авторов, это происходит из-за того, что в ответ на активацию нейрона при старении снижается приток ионов кальция в митохондрии, который может стимулировать транскрипцию мтДНК. Для того, чтобы проверить предположение, ученые использовали кальциевый сенсор GCamp, который вводили с помощью ААВ в соматосенсорую кору молодых и старых мышей под промотором CaMKII, чтобы сенсор экспрессировался только в возбуждающих нейронах. Динамику токов кальциевых ионов при этом отслеживали с помощью двухфотонной микроскопии через три недели после введения конструкции. В ответ на прикосновения к усикам бодрствующих мышей их нейроны соматосенсорной коры активировались, в результате чего повышался уровень кальциевых ионов в митохондриях. У старых мышей их активация была в три раза менее интенсивной.
Приток ионов кальция в митохондрии был необходим для обеспечения сопряжения между активацией нейронов и синапсов и экспрессией мтДНК. Транскрипция митохондриальных генов в первичной культуре возбуждающих нейронов нарушалась, если клетки обрабатывали веществами, блокирующими кальциевые ионные каналы или хелатирующими кальций. При этом для сопряжения между активацией нейронов и экспрессией ядерных генов кальций не требуется.
Далее ученые выяснили, что приток кальция в митохондрии обеспечивается каналом MCU, осуществляющим унипорт кальция, а его открытие регулируется киназой CaMKII. Она фосфорилирует сама себя в ответ на активацию нейронов и после этого взаимодействует с кальциевым каналом. Это ученые доказали, обработав культуру клеток пептидом CaMKIINtide — специфическим ингибитором CaMKII. В присутствии этого вещества при активации нейронов не повышался уровень кальция в митохондрии и снижалась экспрессия мтДНК.
Оказалось, что экспрессия мтДНК в этом процессе также регулируется транскрипционным фактором CREB. Используя сенсор CREB с флуоресцентной меткой, а также сенсор кальция GCaMp, ученые продемонстрировали, что после притока кальция в митохондрии активировался CREB. Его активации препятствовало действие пептида CaMKIINtide. Процесс также нарушался при старении.
Нарушение сопряжения между активацией синапсов и экспрессией мтДНК приводило к снижению силе синапсов. Так, при нарушении этой связи на синапсах экспрессировалось меньше глутаматных рецепторов, а в постсинаптических нейронах снижались запасы АТФ. Ученые связали это с нарушением процессов окислительного фосфорилирования, для осуществления которых как раз и требуется транскрипция мтДНК.
Раз сопряжение между активацией нейронов и синапсов и экспрессией мтДНК связано с когнитивными функциями, ученые предположили, что при старении их можно улучшить за счет восстановления этого процесса. С помощью Cre/lox-рекомбинации они ингибировали экспрессию фактора CREB в возбуждающих нейронах у мышей и оценили, как это влияет на их когнитивные функции. У таких животных были нормальные моторные функции, у них не было признаков депрессии и тревоги, но нарушалась память. Они хуже узнавали места, в которых уже были, и не запоминали контекста, в котором получали удар током. В ответ на активацию нейронов у таких мышей не наблюдалась экспрессия мтДНК.
Затем мышам с дефицитом CREB с помощью AAV доставляли конструкт, несущий этот транскрипционный фактор, в гиппокамп. Благодаря тому, что экспрессия мтДНК восстановилась, у мышей улучшилась контекстуальная память. Таким образом, ученые на практике доказали, что когнитивные функции при старении можно улучшить, если восстановить нарушенную экспрессию мтДНК.
Li W., et al. Boosting neuronal activity-driven mitochondrial DNA transcription improves cognition in aged mice // Science (2024). DOI: 10.1126/science.adp6547
