Μοριακοί μηχανισμοί εγγραφής πρώιμων εμπειριών στον εγκέφαλο επίμυ
Authors: Καλπαχίδου Θεοδώρα 
Published: September 2021

Οι πρώιμες εμπειρίες διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη του εγκεφάλου και στη διαμόρφωση της συμπεριφοράς του οργανισμού κατά την ενήλικη ζωή. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνήθηκαν οι μοριακοί μηχανισμοί μέσω των οποίων οι πρώιμες εμπειρίες «εντυπώνονται» στο γονιδίωμα του εγκεφάλου του επίμυ, με τη χρήση του νεογνικού μοντέλου εκπαίδευσης σε λαβύρινθο σχήματος Τ, το οποίο αναπτύχθηκε στο εργαστήριο Βιολογίας-Βιοχημείας του Τμήματος Νοσηλευτικής του ΕΚΠΑ. Στο μοντέλο αυτό κατά τις μεταγεννητικές ημέρες 10 έως 13, νεογνά επίμυ εκτίθενται σε έναν λαβύρινθο σχήματος Τ, στον οποίο μαθαίνουν ότι η μητέρα τους βρίσκεται στο τέλος του δεξιού βραχίονα. Τα νεογνά εκπαιδεύονται είτε υπό συνεχή λήψη της αναμενόμενης ανταμοιβής (Receipt of Expected Reward, RER) της μητρικής επαφής, είτε υπό συνεχή παρεμπόδιση λήψης αυτής της ανταμοιβής (Denial of Expected Reward, DER). Ειδικότερα, διερευνήθηκε η επίδραση του παραπάνω μοντέλου στο νοραδρενεργικό σύστημα και συγκεκριμένα στον β1 αδρενεργικό υποδοχέα (β1 adrenergic receptor, ADRB1), ενώ στη συνέχεια μελετήθηκαν οι επιπτώσεις σε άλλα γονίδια στόχους.Το νοραδρενεργικό σύστημα παίζει σημαντικό ρόλο σε πληθώρα διεργασιών και συμπεριφορών τόσο στη νεογνική όσο και στην ενήλικη ζωή. Προηγούμενα δεδομένα από το εργαστήριο μας κατέδειξαν ότι τα επίπεδα νοραδρεναλίνης, καθώς επίσης τα επίπεδα πρωτεΐνης και ο αριθμός των β1 αδρενεργικών υποδοχέων τροποποιούνται από τη νεογνική εμπειρία του λαβύρινθου Τ στους RER και DER επίμυες, σε σύγκριση με την ομάδα ελέγχου, στον προμετωπιαίο φλοιό (prefrontal cortex, PFC), τον ιππόκαμπο και τον αμυγδαλοειδή πυρήνα. Με βάση τα παραπάνω και λαμβάνοντας υπόψη ότι οι πρώιμες εμπειρίες μπορούν να επηρεάσουν την έκφραση γονιδίων στον εγκέφαλο μέσω επιγενετικών μηχανισμών, αρχικά διερευνήθηκε το πρότυπο της μεθυλίωσης του υποκινητή του γονιδίου του β1 αδρενεργικού υποδοχέα (Adrb1), καθώς και η έκφραση του mRNA του. Στον PFC, oι ενήλικοι αρσενικοί RER επίμυες βρέθηκε να έχουν χαμηλότερα επίπεδα μεθυλίωσης στον υποκινητή του Adrb1 και υψηλότερα επίπεδα του mRNA του ADRB1 [περιοχές του PFC: προμεταιχμιακός φλοιός (prelimbic cortex, PrL), υπομεταιχμιακός φλοιός (infralimbic cortex, IL) και έσω κογχομετωπιαίος φλοιός (medial orbital cortex, MO)], εύρημα το οποίο υποδεικνύει αυξημένη έκφραση του γονιδίου σε σύγκριση με την ομάδα ελέγχου και τα DER ζώα. Τα παραπάνω αποτελέσματα, καταδεικνύουν ότι η υπομεθυλίωση του υποκινητή του Adrb1 στα RER ζώα είναι υπεύθυνη, τουλάχιστον εν μέρει, για τα υψηλότερα επίπεδα πρωτεΐνης και τον αυξημένο αριθμό των β1 αδρενεργικών υποδοχέων, που παρατηρήθηκαν σε προηγούμενες μελέτες στον PFC. Περαιτέρω ανάλυση για τον πιθανό μηχανισμό μέσω του οποίου η RER εμπειρία προκαλεί την υπομεθυλίωση του Adrb1 κατέδειξε υψηλότερα πρωτεϊνικά επίπεδα, υπό βασικές συνθήκες, για την ενεργή απομεθυλάση GADD45b στις περιοχές PrL, IL και MO του PFC. Ακόμα, στις ίδιες περιοχές του PFC, υπό βασικές συνθήκες, ανιχνεύτηκαν υψηλότερα πρωτεϊνικά επίπεδα για το μεταγραφικό παράγοντα pCREB στους RER αρσενικούς ενήλικους επίμυες σε σύγκριση με την ομάδα ελέγχου και τα DER ζώα. Προηγούμενα δεδομένα του εργαστηρίου μας είχαν δείξει ότι οι RER επίμυες ήδη κατά τη 13η μεταγεννητική ημέρα, αλλά και στην ενήλικη ζωή διαθέτουν αυξημένα επίπεδα ΝΑ. Συνολικά, όλα τα παραπάνω ευρήματα καταδεικνύουν ότι η RER εμπειρία αυξάνει τα επίπεδα της ΝΑ στον PFC. Η αυξημένη ΝΑ δρα μέσω των υποδοχέων της, από τους οποίου ο ADRB1 είναι ο πιο πολυπληθής στον PFC, με αποτέλεσμα την αύξηση του μεταγραφικού παράγοντα pCREB. Στη συνέχεια, τα αυξημένα επίπεδα pCREB επάγουν την έκφραση της απομεθυλάσης GADD45b, η οποία απομεθυλιώνει ενεργά τον υποκινητή του Adrb1 με αποτέλεσμα την αυξημένη έκφραση του υποδοχέα, η οποία είναι εμφανής σε πρωτεϊνικό και λειτουργικό επίπεδο, κατά την ενήλικη ζωή. Η αυξημένη δραστηριότητα του νοραδρενεργικού συστήματος στον PFC των ενήλικων αρσενικών RER επίμυων αντικατοπτρίζεται και στον συμπεριφορικό τους φαινότυπο, καθώς είχαν βελτιωμένη απόδοση σε δύο δοκιμασίες εξαρτώμενες από τη νοραδρενεργική νευροδιαβίβαση στον PFC, τη δοκιμασία οσφρητικής διάκρισης και τη δοκιμασία απόσβεσης εξαρτημένου φόβου βάσει πλαισίου. Ειδικότερα, στη δοκιμασία οσφρητικής διάκρισης οι ενήλικοι αρσενικοί RER επίμυες θυμήθηκαν ~2 φορές πιο αποτελεσματικά τη συσχέτιση οσμής-επιβράβευσης έπειτα από 48 ώρες, ενώ στη δοκιμασία απόσβεσης εξαρτημένου φόβου βάσει πλαισίου, κατάφεραν να εξαλείψουν πιο αποτελεσματικά τον προηγούμενα μαθημένο φόβο. Συνοπτικά, στον PFC, η RER εμπειρία κατά τη νεογνική ηλικία επάγει την αύξηση της ΝΑ στον προμετωπιαίο φλοιό. Στη συνέχεια, μέσω επιγενετικών τροποποιήσεων στον υποκινητή του γονιδίου του ADRB1 προγραμματίζει το νοραδρενεργικό σύστημα προς αυξημένη λειτουργία στην ενήλικη ζωή, τόσο στο νευροχημικό, όσο και στο επίπεδο της συμπεριφοράς.Στον ιππόκαμπο και τον αμυγδαλοειδή πυρήνα οι ενήλικες αρσενικοί DER επίμυες είχαν αυξημένα επίπεδα μεθυλίωσης στον υποκινητή του Adrb1 και χαμηλότερα επίπεδα του mRNA του ADRB1 (ιππόκαμπος: CA1 περιοχή, αμυγδαλοειδής πυρήνας: BLA, CeA), εύρημα το οποίο υποδεικνύει μειωμένη έκφραση του γονιδίου σε σύγκριση με την ομάδα ελέγχου και τα RER ζώα. Τα παραπάνω αποτελέσματα, καταδεικνύουν ότι η υπερμεθυλίωση του υποκινητή του Adrb1 των DER ζώων είναι υπεύθυνη, τουλάχιστον εν μέρει, για τα μειωμένα πρωτεϊνικά επίπεδα, καθώς και το χαμηλότερο αριθμό β1 υποδοχέων, που παρατηρήθηκαν στον ιππόκαμπο και την αμυγδαλή, σε προηγούμενες μελέτες στο εργαστήριο μας.Τέλος, διερευνήθηκε εάν επηρεάζονται τα πρότυπα μεθυλίωσης και άλλων γονιδίων που εμπλέκονται στην πλαστικότητα του εγκεφάλου και σε διαδικασίες μάθησης/μνήμης. Συγκεκριμένα, αναλύθηκαν: ο α2Α αδρενεργικός υποδοχέας (alpha2Α adrenergic receptor, ADRA2A), μέλη του ΗΡΑ άξονα: CRH, CRHR1, GR, μέλη του σεροτονεργικού συστήματος: υποδοχείς της σεροτονίνης τύπου 1Α και 2Α (5-HT1A και 5-ΗΤ2Α) και ο υποδοχέας της ωκυτοκίνης. Συνολικά, τα αποτελέσματα μας υποδεικνύουν ότι οι νεογνικές εμπειρίες RER και DER επηρεάζουν το πρότυπο της μεθυλίωσης γονιδίων στον προμετωπιαίο φλοιό, τον ιππόκαμπο και τον αμυγδαλοειδή πυρήνα. Ωστόσο, η εξαγωγή συμπερασμάτων σε σχέση με αυτά τα γονίδια προϋποθέτει περαιτέρω μελέτη και επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων σε μοριακό, ιστοχημικό και συμπεριφορικό επίπεδο.