Комплекс подавления генов HUSH может быть вовлечен в сложные расстройства, влияющие на мозг и нейроны. Однако механизм его действия остается неясным. Исследователи из Института молекулярной биотехнологии Австрийской академии наук (IMBA) теперь раскрывают in vivo мишени и физиологические функции компонента комплекса подавления гена HUSH и одного из связанных с ним белков.

Работа, проведенная на моделях лабораторных мышей и органоидах человеческого мозга, связывает комплекс ТИШИНЫ с нормальным развитием мозга, индивидуальностью нейронов и связностью, а также поведением мыши. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Недавно было установлено, что комплекс human silencing hub (HUSH) имеет ключевое значение для подавления повторяющихся генетических элементов, включая транспозоны у млекопитающих. Комплекс HUSH содержит MPP8, белок, который связывает маркер модификации гистонов H3K9me3. Кроме того, известно, что HUSH рекрутирует другие белки, включая белок цинкового пальца MORC2.

У людей мутации, влияющие на MORC2, связаны с аксональной нейропатией, типом повреждения нервов, и нарушениями развития нервной системы. Однако мало что известно о физиологических функциях MPP8 и MORC2 или о том, как они могут влиять на здоровье мозга. Поэтому исследователи во главе с Астрид Хагелькруис, старшим научным сотрудником группы Пеннингера в IMBA, решили исследовать мишени и функции этих двух белков in vivo на моделях лабораторных мышей и в органоидах человеческого мозга.

Измененное развитие мозга и поведение

Команда использовала комплексный подход in vivo, включающий поведенческие, моторные, развивающие, генетические и транскриптомные эксперименты. Они обнаружили, что MPP8 и MORC2A (мышиный аналог человеческого MORC2) были высоко экспрессированы в головном мозге, где они обнаружены исключительно в нейронах. "Мы продемонстрировали, что MPP8 и MORC2A играют роль в нормальном развитии мозга, спецификации нейронной идентичности и связности нейронов, а также в поведении мыши", - говорит Астрид Хагелькруис, руководитель проекта и соавтор исследования.

Кроме того, удаление MPP8 или MORC2A в нервной системе мышиных моделей увеличивало размер мозга и изменяло архитектуру мозга без существенных изменений в экспрессии транспонируемых элементов. Эти удаления повлияли на двигательные функции и поведение мышей. "Таким образом, удивительно, что на живом животном мы показали, что MPP8 и MORC2A действуют за пределами регулирования транспозируемых элементов", - говорит Хагелькруис.

Молекулярный механизм, напоминающий глушение генов

До сих пор комплекс HUSH был вовлечен в регулирование транспозонов. "Мы показали, что MPP8 и MORC2A подавляют кластеры генов протокадгерина H3K9me3-зависимым образом. На белковом уровне эти кластеры генов протокадгерина образуют поверхностные белки нейронов, которые опосредуют контакт с другими нейронами. Хотя протокадгерины не являются транспонируемыми элементами, некоторые из них экспрессируются в центральной нервной системе в виде "повторяющихся" кластеров генов", - объясняет Хагелькруис.

В мышиных моделях MPP8 и MORC2A специфически подавляли кластер протокадгерина на хромосоме мыши 18. Удаление MPP8 и MORC2A привело к образованию большего количества синапсов в нейронах, что может совпадать с нарушением индивидуальности нейронов. Другими словами, способность нейронов отличать "я" от "не-я". Экспрессируя различные комбинации кластеризованных протокадгеринов, нейроны приобретают форму "штрих-кода", который позволяет им контролировать формирование синаптических связей с другими нейронами. Следовательно, нацеливаясь на кластеризованные протокадгерины, MPP8 и MORC2A могут гарантировать, что нейроны приобретают правильный "штрих-код" и образуют синапсы только с правильными аналогами.

Кроме того, команда исследовала влияние дефицита MPP8 и MORC2 на органоиды человеческого мозга. Используя эту модель человеческого мозга, полученную из стволовых клеток, ученые наблюдали совпадающие результаты: отсутствие MPP8 или MORC2 приводило к увеличению количества кластеризованных протокадгеринов, экспрессируемых в органоидных нейронах на одноклеточном уровне. Это указывает на то, что отсутствие двух белков нарушило идентичность нейронов также в органоидах человеческого мозга.

Эпигенетика заболеваний головного мозга и нервной системы

В ходе текущей работы исследователи раскрыли ключевую роль комплекса HUSH в эпигенетической регуляции экспрессии протокадгерина в нервной системе. Эти результаты связывают механистический эффект подавления повторяющихся генетических элементов с физиологией и поведением мозга мыши. Результаты исследования органоидов мозга команды также показывают, что аналогичные эффекты могут быть обнаружены у людей.

"Интерес этих открытий к основной функции комплекса HUSH в мозге заключается в значении протокадгеринов в верности нейронов и эволюции мозга. Однако то, как это регулируется, оставалось в значительной степени неизвестным. Нарушение регуляции кластеризованных протокадгеринов было связано с различными неврологическими заболеваниями и нарушениями развития нервной системы, а также с многочисленными психическими расстройствами у людей. Следовательно, наши результаты могут помочь нам лучше понять механизмы эпигенетической регуляции, управляющие этими заболеваниями, и предоставить новый способ изучения эволюции мозга", - заключает Джозеф Пеннингер, руководитель группы в IMBA.