MikroRNA (miRNA) to grupa krótkich, bo zbudowanych z 20-23 nukleotydów, cząsteczek RNA. Nie kodują one białek, ale pełnią funkcję regulatorów (zazwyczaj negatywnych) transkrypcji genów. Działają na etapie translacji, czyli syntezy białka. Co ciekawe, pojedyncza cząsteczka miRNA może docelowo wpływać na transkrypcję setek genów. Z drugiej strony ponad 30% genów podlega regulacji przez miRNA (Grenda, Budzyński i Filip, 2013). W ostatnich latach gwałtownie wzrosła wiedza dotycząca miRNA, a co za tym idzie, nasiliło się także zainteresowanie potencjalnymi procesami, w których mogą one odkrywać ważną rolę. Wykazano, że te właśnie cząsteczki regulują szereg procesów biologicznych związanych z podziałami, różnicowaniem i apoptozą komórek. To z kolei przekłada się na znaczenie miRNA w patogenezie i przebiegu wielu chorób, wśród których wymienić wystarczy nowotworowe, metaboliczne, a także neurologiczne. Te niekodujące cząsteczki RNA mogą pełnić funkcję biomarkerów określonych chorób, ale także stanowić cel działania potencjalnych leków.  

Jak badać uczenie się u ślimaka?

Interesującym zagadnieniem jest udział miRNA w procesach mózgowych. Do tej pory naukowcy wykazali, że miRNA są istotne dla powstawania długotrwałych zmian plastycznych w synapsach. Nie do końca jednak wiadomo, które miRNA mogą wpływać na konkretne mechanizmy związane z uczeniem się oraz w jaki sposób takie oddziaływanie miałoby zachodzić. Badanie, które omawiam, dotyczyło specyficznej formy uczenia się, jaką jest konsolidacja śladów pamięciowych po jednokrotnym warunkowaniu klasycznym. Jest to najprostsza forma uczenia, gdyż polega na wytworzeniu skojarzenia typu „bodziecà reakcja” po jednokrotnym warunkowaniu. Doskonały model doświadczalny dla takich badań zapewnia wykorzystanie Lymnaea stagnalis, czyli po prostu błotniarki stawowej – jednego z pospolitych gatunków ślimaka. Już po pojedynczym skojarzeniu octanu amylu (substancji neutralnej, czyli bodźca warunkowego) z sacharozą (substancją nagradzającą, czyli bodźcem bezwarunkowym), błotniarka rozwija reakcję warunkową, która jest w tym wypadku formą pamięci długotrwałej (ang. long-term memory, LTM). Odruchem bezwarunkowym jest tutaj reakcja na karmienie, która pojawia się u błotniarki po otrzymaniu substancji neutralnej. Biologiczny dowód na to, że ślimak nabył reakcję warunkową stanowi ślad pamięciowy, możliwy do zarejestrowania za pomocą technik elektrofizjologicznych. Co prawda układ nerwowy błotniarki stawowej trudno porównać z czymś, co znamy z anatomii ludzkiego mózgu, czy chociażby mózgów gryzoni laboratoryjnych. Na potrzeby tego artykułu wyobraźmy sobie obecność czegoś w rodzaju  „uczących się zwojów”.

Rola mikroRNA w nabywaniu reakcji warunkowej

Aby określić, czy cząsteczki miRNA w ogóle regulują procesy transkrypcyjne związane z nabywaniem reakcji warunkowej na nagrodę przez błotniarkę stawową, badacze (Korneev i in., 2018) rozpoczęli od farmakologicznego zablokowania biogenezy cząsteczek miRNA. Doprowadziło to do zahamowania uwarunkowanej reakcji u ślimaków, które poddano wcześniej typowej sesji warunkowania. Potwierdzone zatem zostało, że miRNA odgrywają  kluczową rolę w tym rodzaju uczenia się. Docelowym problemem badawczym było jednak określenie konkretnych cząsteczek, które odpowiadają za ten proces. W tym celu pobrano zwoje od zwierząt, które przeszły wcześniej sesję warunkowania oraz od grupy kontrolnej. Dzięki nowoczesnej metodzie biologii molekularnej, którą jest sekwencjonowanie nowej generacji, zidentyfikowano 14 miRNA, które były inaczej regulowane w grupie eksperymentalnej i kontrolnej, co oznacza, że pełnią one zasadniczą unkcję w badanym procesie. Na kolejnym etapie badań naukowcy skupili się na konkretnej cząsteczce – Lym-miR-137, której ekspresja była przejściowo podniesiona godzinę po warunkowaniu. Wcześniej, kilkukrotnie sugerowano już jej udział w zaburzeniach związanych z ośrodkowym układem nerwowym, ale znaczenie miR-137 w mechanizmach uczenia się wciąż pozostaje przedmiotem kontrowersji. Dodatkowe analizy pozwoliły na identyfikację RNA, które jest celem działania miR-137. Badania wykazały, że miR-137 oddziałuje na RNA kodujące białko CREB2 (ang. cAMP-response element binding protein 2). O czym świadczy taki wynik? Otóż CREB to ważny jądrowy czynnik transkrypcyjny. Wykazano, że reguluje on ekspresję genów związanych z plastycznością synaptyczną, co świadczy o jego udziale w procesach uczenia się. Obserwację potwierdzono jeszcze zmierzeniem ekspresji Lym-miR-137 oraz Lym-CREB2 mRNA w tym samym punkcie czasowym – godzinę po sesji warunkowania. Podniesienie regulacji Lym-miR-137 wiązało się ze spadkiem ekspresji Lym-CREB2 mRNA, co wskazuje na hamujący wpływ miR-137 na czynnik transkrypcyjny CREB. Na ostatnim etapie badań naukowcy znowu skupili się na błotniarce stawowej, aby wnioski z analiz molekularnych zweryfikować in vivo. Kiedy przed warunkowaniem podali zwierzętom specyficzny inhibitor Lym-miR-137, zaobserwowali wzrost Lym-CREB2 mRNA oraz osłabienie pamięci długotrwałej, mierzonej jako zahamowanie uwarunkowanej reakcji na nagrodę.

Podsumowanie badań i wnioski

Zgromadzone wyniki jednoznacznie wskazują, że Lym-miR-137 jest wymagany do powstania śladów pamięci długotrwałej po jednorazowym warunkowaniu u błotniarek stawowych. Proces zachodzi poprzez hamujący wpływ Lym-miR-137 na ekspresję Lym-CREB2 mRNA w neuronach wchodzących w skład obwodów zaangażowanych w uczenie się. Ważnym wnioskiem jest obserwacja, że miRNA są szczególnie ważne na początkowym etapie powstawania LTM. Warto zaznaczyć, że opisywane wyniki uzyskane zostały w oparciu o bardzo prosty model uczenia się, co nie daje nam prawa do wyciągania daleko idących wniosków co do roli miR-137 w procesach pamięciowych u ludzi. Sami autorzy odwołują się do badań, które wskazują, że w pewnych warunkach miR-137 może działać przeciwstawnie, gdyż wzrost ekspresji tej cząsteczki korelował z osłabieniem plastyczności synaptycznej oraz z pogorszeniem pamięci zależnej od hipokampa (Siegert i in., 2015, za: Korneev i in., 2018). Wydaje się, że miRNA (a szczególnie miR-137) może w różny sposób regulować procesy transkrypcyjne w zależności od konkretnego paradygmatu uczenia się. Niemniej, miRNA wydają się interesującym przedmiotem badań i obiecującym punktem uchwytu dla potencjalnych terapii.

Na podstawie:

Korneev, S. A., Vavoulis, D. V., Naskar, S., Dyakonova, V. E., Kemenes, I., Kemenes, G. (2018). A CREB2-targeting microRNA is required for long-term memory after single-trial learning. Scientific reports, 8(1), 3950.

Literatura dodatkowa:

Grenda, A., Budzyński, M., & Filip, A. A. (2013). Biogeneza cząsteczek mikroRNA oraz ich znaczenie w powstawaniu i przebiegu wybranych zaburzeń hematologicznych. Postepy Higieny i Medycyny Doswiadczalnej, 67.