سلول‌های عصبی مغز به‌طور طبیعی آسیب شدید DNA را ترمیم می‌کنند

پژوهشگران در مطالعه‌ای جدید نشان داده‌اند که سلول‌های عصبی تازه‌متولدشده در جریان مهاجرت به بخش‌های مختلف مغز به‌طور مداوم دچار آسیب‌های شدید DNA می‌شوند، اما مغز در حال رشد قادر است این آسیب‌ها را به‌سرعت و با کارایی بالا ترمیم کند.

به گزارش new medical، پژوهشگران موسسه علوم یکپارچه سلول و مواد دانشگاه کیوتو به همراه همکاران بین‌المللی خود در پژوهشی که نتایج آن در نشریه معتبر Nature منتشر شده است دریافتند که مهاجرت نورون‌های تازه‌تشکیل‌شده در مغز با ایجاد شکست‌های دو رشته‌ای در DNA همراه است نوعی آسیب ژنتیکی که شدیدترین شکل آسیب DNA محسوب می‌شود و در شرایط عادی می‌تواند به جهش‌های ژنتیکی یا مرگ سلولی منجر شود.

سلول‌های عصبی تازه‌متولدشده برای رسیدن به محل نهایی خود در قشر مغز باید از میان بافت‌های متراکم، فضای محدود میان سلول‌ها و رشته‌های عصبی عبور کنند. محققان دریافتند که همین فشار‌های مکانیکی ناشی از حرکت در محیط‌های فشرده عامل ایجاد آسیب‌های گسترده در DNA این سلول‌ها است.

برای بررسی این پدیده تیم تحقیقاتی مسیر مهاجرت نورون‌ها را در شرایط آزمایشگاهی شبیه‌سازی کرد. پژوهشگران با استفاده از کانال‌های میکروسکوپی که فضای تنگ موجود در مغز در حال رشد را بازسازی می‌کردند، حرکت نورون‌ها را تحت نظر قرار دادند. نتایج نشان داد هنگام عبور سلول‌ها از این کانال‌ها شکست‌های دو رشته‌ای DNA شکل می‌گیرد اما پس از پایان مهاجرت این آسیب‌ها به تدریج ناپدید می‌شوند.

بررسی‌ها نشان داد بیشتر این آسیب‌های ژنتیکی ظرف ۲۴ ساعت ترمیم شده و هیچ اثر پایداری بر عملکرد سلول‌های عصبی بر جای نمی‌گذارند.

پژوهشگران منشا این شکست‌های DNA را آنزیمی به نام Topoisomerase IIβ شناسایی کردند. این آنزیم به‌طور طبیعی برای کاهش تنش‌های ساختاری در DNA برش‌های کنترل‌شده‌ای در رشته ژنتیکی ایجاد می‌کند. محققان این فرآیند را به بریدن یک کابل پیچ‌خورده برای باز کردن گره آن و سپس اتصال مجدد آن تشبیه کردند.

با این حال زمانی که سلول تحت فشار مکانیکی شدید قرار می‌گیرد این آنزیم در میانه فرآیند متوقف می‌شود و انتهای شکسته DNA را باقی می‌گذارد. در ادامه سامانه ترمیمی سلول موسوم به اتصال انتهای غیرهمولوگ (Non-Homologous End Joining) این شکست‌ها را ترمیم کرده و رشته‌های DNA را دوباره به یکدیگر متصل می‌کند.

به گفته مینکو کنگاکو، استاد دانشگاه کیوتو و سرپرست این پژوهش مغز در حال رشد به نظر می‌رسد سازوکار‌هایی تکاملی برای تحمل و ترمیم مؤثر این آسیب‌های عصبی ایجاد کرده است. 

وی تاکید کرد که شناخت محدودیت‌های این توانایی ترمیمی و پیامد‌های نقص در آن می‌تواند به درک بهتر طیف وسیعی از اختلالات عصبی کمک کند.

نتایج مطالعه همچنین نشان داد این فرآیند با آنچه در برخی سلول‌های سرطانی رخ می‌دهد تفاوت اساسی دارد. در سلول‌های سرطانی که از فضا‌های مشابه عبور می‌کنند آسیب‌های DNA به‌صورت تصادفی در سراسر ژنوم ایجاد می‌شود و اغلب عملکرد سلول را مختل کرده یا حتی به مرگ آن منجر می‌شود اما در نورون‌ها شکست‌های DNA عمدتا در بخش‌های کم‌اهمیت‌تر ژنوم رخ می‌دهد و ژن‌های فعال و حیاتی کمتر تحت تأثیر قرار می‌گیرند؛ موضوعی که از حفظ عملکرد طبیعی سلول‌های عصبی اطمینان حاصل می‌کند.

محققان برای بررسی پیامد‌های اختلال در ترمیم DNA موش‌هایی را مهندسی ژنتیکی کردند که نورون‌های تازه‌تشکیل‌شده آنها در مخچه فاقد آنزیم Ligase ۴ یکی از اجزای کلیدی سامانه ترمیم DNA بودند. اگرچه این حیوانات در ظاهر رشد طبیعی داشتند اما از اوایل دوران بزرگسالی به تدریج دچار مشکلات خفیف و پیشرونده در حفظ تعادل شدند؛ علائمی که شباهت زیادی به برخی سندرم‌های انسانی ناشی از بی‌ثباتی ژنومی و آسیب‌های مخچه‌ای دارد.

پژوهشگران معتقدند این یافته‌ها پرسش‌های جدیدی را درباره نقش احتمالی این شکست‌های اولیه DNA در شکل‌گیری تفاوت‌های فردی میان نورون‌ها و همچنین ارتباط آنها با بیماری‌های عصبی-رشدی و بیماری‌های تحلیل‌برنده عصبی مطرح می‌کند.

این پژوهش با همکاری دانشگاه کیوتو، دانشگاه توکیو، دانشگاه اوساکا، دانشگاه ملی سنگاپور و موسسه علوم پزشکی شهری توکیو انجام شده است.