20/02/2024
كيف يمكن لوظيفة الدماغ تغيير الحمض النووي؟
1. التعديلات اللاجينية
التغيرات اللاجينية هي تغييرات في جزيئات الحمض النووي التي لا تغير الشفرة الوراثية الأساسية. لكن هذه التغييرات يمكن أن تؤثر على التعبير الجيني. يمكن أن تتأثر وظيفة الدماغ بالتغيرات اللاجينية بعدة طرق، بما في ذلك الإجهاد والعوامل البيئية والخبرة. على سبيل المثال، أظهرت الدراسات أن التوتر في الحياة المبكرة يمكن أن يؤدي إلى تغيرات جينية تغير التعبير عن الجينات المرتبطة بالتوتر وتنظيم العاطفة.
يمكن أن تؤثر وظيفة الدماغ على تغيرات الحمض النووي من خلال عمل بعض الإنزيمات المعروفة باسم ناقلات ميثيل الحمض النووي (DNMTs). تضيف هذه الإنزيمات مجموعة كيميائية تسمى مجموعة الميثيل إلى مواقع محددة على جزيء الحمض النووي، مما قد يؤثر على التعبير الجيني.
أظهرت الدراسات أن نشاط DNMT يمكن أن يتأثر بمجموعة متنوعة من العوامل المتعلقة بوظيفة الدماغ، بما في ذلك الإجهاد والتعلم والذاكرة والأدوية أو المحفزات البيئية الأخرى. على سبيل المثال، ثبت أن التوتر يزيد من نشاط DNMT في مناطق معينة من الدماغ، مما يؤدي إلى تغيرات في التعبير الجيني الذي قد يساهم في القلق أو الاكتئاب.
بالإضافة إلى DNMTs، قد تلعب التأثيرات اللاجينية الأخرى أيضًا دورًا في تغيرات الحمض النووي عن طريق وظائف المخ. وتشمل هذه التعديلات هيستون، والتي تنطوي على تغييرات في البروتينات التي تحزم الحمض النووي في الخلايا، وجزيئات الحمض النووي الريبي غير المشفرة، والتي يمكن أن تتفاعل مع الحمض النووي أو جزيئات الحمض النووي الريبي الأخرى لتنظيم التعبير الجيني.
2. النشاط العصبي
يمكن أن يؤثر نشاط الخلايا العصبية أيضًا على الحمض النووي. على سبيل المثال، أظهرت الدراسات أن نشاط الخلايا العصبية يمكن أن يؤدي إلى تغيرات في بنية الكروماتين، مما قد يؤثر على التعبير الجيني ووظيفته. بالإضافة إلى ذلك، أشارت الأبحاث الحديثة إلى أن الخلايا العصبية يمكنها أيضًا نقل المواد الوراثية، مثل microRNAs، إلى خلايا أخرى في الدماغ، مما قد يؤثر على التعبير الجيني ووظيفته في تلك الخلايا.
أظهرت الدراسات أن نشاط الخلايا العصبية يمكن أن يحفز نشاط إنزيمات تسمى هيستون أسيتيل ترانسفيراز (HATs). يضيفون مجموعات الأسيتيل إلى بروتينات الهيستون المرتبطة بالحمض النووي. هذا التعديل يمكن أن يؤدي إلى زيادة في التعبير الجيني. في المقابل، يمكن للإنزيمات الأخرى مثل هيستون دياسيتيلاز (HDACs) إزالة مجموعات الأسيتيل من الهستونات. وهذا يؤدي إلى انخفاض في التعبير الجيني. أظهرت الدراسات أن نشاط HDAC يمكن تثبيطه بواسطة الناقلات العصبية مثل الدوبامين والسيروتونين.
بالإضافة إلى تعديلات الهيستون، يمكن أن يؤثر نشاط الخلايا العصبية أيضًا على مثيلة الحمض النووي. في هذه العملية، تتم إضافة مجموعات الميثيل إلى الحمض النووي، والتي يمكن أن تثبط التعبير الجيني. أظهرت الدراسات أن نشاط الخلايا العصبية يمكن أن يؤثر على نشاط ناقلات ميثيل الحمض النووي (DNMTs)، التي تحفز مثيلة الحمض النووي.
3. اللدونة العصبية
اللدونة العصبية هي قدرة الدماغ على التغيير استجابة للتجارب والعوامل البيئية. تتضمن هذه العملية تغييرات في التعبير الجيني ووظيفته، والتي يمكن أن تتأثر بتعديلات الحمض النووي.
أظهرت الدراسات أن نشاط الخلايا العصبية يمكن أن ينشط عامل النسخ CREB (بروتين ربط عنصر استجابة cAMP)، والذي يمكن أن يؤدي إلى تغييرات في التعبير الجيني المهم لتكوين الذاكرة طويلة المدى. يمكن أن يرتبط CREB بتسلسلات محددة من الحمض النووي تُعرف باسم عناصر استجابة cAMP (CREs) وينظم التعبير عن الجينات المشاركة في اللدونة التشابكية وتوطيد الذاكرة.
بالإضافة إلى CREB، فقد ثبت أيضًا أن عوامل النسخ الأخرى مثل BDNF (عامل التغذية العصبية المشتق من الدماغ) وNF-kB (العامل النووي kappa B) تؤثر على اللدونة العصبية ويمكن أن تحدث تغييرات في التعبير الجيني التي تؤدي إلى بنية الحمض النووي. تغير.
يمكن أيضًا أن تتأثر التعديلات اللاجينية مثل تعديلات هيستون ومثيلة الحمض النووي باللدونة العصبية، مما يؤدي إلى تغييرات في التعبير الجيني التي تغير وظائف المخ وسلوكه. على سبيل المثال، أظهرت الدراسات أن التغيرات في أستلة الهيستون والميثيل يمكن أن تحدث استجابة لنشاط الخلايا العصبية. إنها تغير التعبير الجيني المهم في اللدونة التشابكية وتكوين الذاكرة.
4. الخلايا الجذعية العصبية
الخلايا الجذعية العصبية هي المسؤولة عن توليد خلايا عصبية جديدة في الدماغ، ويمكن أن تتأثر بتعديلات الحمض النووي. على سبيل المثال، أظهرت الدراسات أن مثيلة الحمض النووي يمكن أن تنظم تمايز الخلايا الجذعية العصبية إلى أنواع مختلفة من الخلايا العصبية. الخلايا الجذعية العصبية هي نوع من الخلايا الجذعية التي يمكن أن تتمايز إلى أنواع مختلفة من الخلايا العصبية، بما في ذلك الخلايا العصبية والخلايا الدبقية. تتمتع هذه الخلايا بالقدرة على تغيير الحمض النووي الخاص بها من خلال عملية تسمى التنظيم اللاجيني.
How brain function can change DNA?
1. Epigenetic modifications
Epigenetic changes are changes to DNA molecules that do not change the underlying genetic code. But these changes can affect gene expression. Brain function can be affected by epigenetic changes in a variety of ways, including stress, environmental factors, and experience. For example, studies have shown that stress in early life can lead to epigenetic changes that alter the expression of genes related to stress and emotion regulation.
Brain function can affect DNA changes through the action of certain enzymes known as DNA methyltransferases (DNMTs). These enzymes add a chemical group called a methyl group to specific sites on the DNA molecule, which can affect gene expression.
Studies have shown that DNMT activity can be affected by a variety of factors related to brain function, including stress, learning and memory, and drugs or other environmental stimuli. For example, stress has been shown to increase DNMT activity in certain brain regions, leading to changes in gene expression that may contribute to anxiety or depression.
In addition to DNMTs, other epigenetic effects may also play a role in DNA alterations by brain function. These include histone modifications, which involve changes to the proteins that package DNA in cells, and non-coding RNA molecules, which can interact with DNA or other RNA molecules to regulate gene expression.
2. Neuronal activity
Neuronal activity can also affect DNA. For example, studies have shown that neuronal activity can lead to changes in chromatin structure, which can affect gene expression and function. In addition, recent research has suggested that neurons can also transfer genetic material, such as microRNAs, to other cells in the brain, which can affect gene expression and function in those cells.
Studies have shown that neuronal activity can stimulate the activity of enzymes called histone acetyltransferases (HATs). They add acetyl groups to the histone proteins attached to the DNA. This modification can lead to an increase in gene expression. In contrast, other enzymes such as histone deacetylases (HDACs) can remove acetyl groups from histones. This leads to a decrease in gene expression. Studies have shown that HDAC activity can be inhibited by neurotransmitters such as dopamine and serotonin.
In addition to histone modifications, neuronal activity can also affect DNA methylation. In this process, methyl groups are added to the DNA, which can repress gene expression. Studies have shown that neuronal activity can affect the activity of DNA methyltransferases (DNMTs), which catalyze DNA methylation.
3. Neuronal plasticity
Neuronal plasticity is the brain's ability to change in response to experiences and environmental factors. This process involves changes in gene expression and function, which can be affected by DNA modifications.
Studies have shown that neuronal activity can activate the transcription factor CREB (cAMP response element-binding protein), which can lead to changes in gene expression important for long-term memory formation. CREB can bind to specific DNA sequences known as cAMP response elements (CREs) and regulate the expression of genes involved in synaptic plasticity and memory consolidation.
In addition to CREB, other transcription factors such as BDNF (brain-derived neurotrophic factor) and NF-kB (nuclear factor kappa B) have also been shown to influence neuronal plasticity and can induce changes in gene expression that lead to DNA structure can be changed.
Epigenetic modifications such as histone modifications and DNA methylation can also be affected by neuronal plasticity, leading to changes in gene expression that alter brain function and behavior. For example, studies have shown that changes in histone acetylation and methylation can occur in response to neuronal activity. They alter gene expression that is important for synaptic plasticity and memory formation.
4. Neural stem cells
Neural stem cells are responsible for generating new neurons in the brain, and can be affected by DNA modifications. For example, studies have shown that DNA methylation can regulate the differentiation of neural stem cells into different types of neurons. Neural stem cells are a type of stem cell that can differentiate into different types of neural cells, including neurons and glial cells. These cells have the ability to change their DNA through a process called epigenetic regulation.
