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Könnte Das Leben In Einer Geistig Bereichernden Umgebung Ihre Gene Verändern?
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Anonim

Wenn Mäuse einer angereicherten Umgebung ausgesetzt sind, können ihre Nachkommen genetische Defekte überwinden, die das Langzeitgedächtnis beeinträchtigen.

Die langen Hälse der Giraffen eignen sich perfekt für die Ernte zarter Blätter, die für andere Pflanzenfresser unerreichbar sind. Zwei Giganten der modernen Biologie, Jean-Baptiste Lamarck und Charles Darwin, kamen zu bemerkenswert unterschiedlichen Hypothesen, als sie über die Entstehung dieses Phänomens nachdachten. Lamarck glaubte, dass eine ständige Dehnung des Halses sein Wachstum irgendwie stimulierte. Die Giraffe würde dieses neue Merkmal dann an ihre Nachkommen weitergeben. Tatsächlich war dieser neuere, längere Hals ein direktes Ergebnis der Interaktion einer Giraffe mit ihrer Umgebung. Im Gegensatz dazu ging Darwins Theorie davon aus, dass sich Merkmale als Teil eines zufälligen, schrittweisen Prozesses entwickeln. Die Giraffen, die aufgrund einer zufälligen genetischen Mutation mit längeren Hälsen geboren wurden, wurden besser gefüttert und damit gesünder als ihre Gegenstücke mit kürzerem Hals, sodass sie mit größerer Wahrscheinlichkeit lange genug leben, um dieses Merkmal zu züchten und weiterzugeben. Da diese Mutation langhalsigen Giraffen einen besonderen Vorteil verschaffte, der ihr Überleben unterstützte, blieb das Merkmal in zukünftigen Generationen erhalten.

Lamarcksche Theorien über den Einfluss der Umwelt wurden weitgehend aufgegeben, nachdem Wissenschaftler entdeckten, dass vererbbare Merkmale auf den von unserer DNA kodierten Genen übertragen werden. Eine kürzlich von den Neurowissenschaftlern Junko A. Arai, Shaomin Li und Kollegen von der Tufts University veröffentlichte Studie zeigt jedoch, dass nicht nur die Umgebung, in der ein Tier aufgezogen wird, deutliche Auswirkungen auf seine Lern- und Erinnerungsfähigkeit hat, sondern auch diese Auswirkungen werden geerbt. Die Studie legt nahe, dass wir nicht die bloße Summe unserer Gene sind: Was wir tun, kann einen Unterschied machen.

Die neurobiologische Untersuchung der Umweltauswirkungen auf Lernen und Gedächtnis begann Ende der sechziger und Anfang der siebziger Jahre, als Mark Rosenzweig und Kollegen untersuchten, wie sich die Manipulation des Niveaus der sensorischen Stimulation, Bewegung und sozialen Interaktion auf das Verhalten von Ratten auswirkte. Laborratten leben normalerweise in einem Käfig mit Einstreu, Futter und Wasser, aber sonst wenig. In den von Rosenzweigs Gruppe geschaffenen angereicherten Umgebungen (EE) erhielten die Tiere Zugang zu einer sich ändernden Liste von Spielzeugen und erhöhten die Möglichkeiten für Sozialisation und Bewegung. Die Gehirne von EE-Ratten waren größer und übertrafen die Kontrollen (die in typischen Käfigen untergebracht waren) bei Lern- und Gedächtnisaufgaben. Nachfolgende Arbeiten von Forschern, die sich mit der Zellebene befassen, haben gezeigt, dass EE Veränderungen der neuralen Morphologie (Form), der Resistenz gegen neurodegenerative Erkrankungen und der lernbedingten neuronalen Aktivität auslöst.

Speicher retten

Kürzlich haben Arai, Li und Kollegen diese Untersuchungslinie erweitert und die Rolle untersucht, die EE bei der Langzeitpotenzierung (LTP) spielt, einer Form der synaptischen Stärkung, die Lernen und Gedächtnis unterstützt. Die physiologische Signatur von LTP ist eine Erhöhung des Grundlinienniveaus der elektrischen Aktivität eines Neurons. Arai und Li zeigten, dass LTP im Hippocampus, einer Schlüsselstruktur des Gehirns, die an Lern- und Gedächtnisprozessen beteiligt ist, bei Mäusen, die in EE aufgezogen werden, größer ist.

Überraschender ist jedoch, dass EE auch ausreicht, um einen Gedächtnisdefekt bei genetisch veränderten Mäusen zu „retten“. Mit dem Defekt geborene Elternmäuse, die dann als Jungtiere EE ausgesetzt waren, gaben nicht die gleichen Gedächtnisdefekte an ihre Nachkommen weiter. Ihre angereicherte Umgebung korrigierte ihr genetisches Defizit.

Wie erfolgt diese Korrektur? Spezifische molekulare Wege sind erforderlich, um LTP zu erzeugen. Wenn Wissenschaftler die Teile des DNA-Codes, die an der Funktion eines dieser Pfade beteiligt sind, mithilfe der von Genetikern als "Knock-out" -Technologie bezeichneten Technologie zum Schweigen bringen, wie dies bei mutierten Mäusen mit einem Gedächtnisdefekt der Fall war, werden sowohl die LTP- als auch die Gedächtnisfunktion beeinträchtigt. Arai und Li zeigten, dass EE das LTP-Volumen in Wildtyp-Mäusen (nicht mutiert) erhöhte. Interessanterweise können Mäuse, bei denen ein standardmäßiger molekularer Weg erforderlich war, um LTP auszuschalten, immer noch LTP induzieren. Die Forscher fanden heraus, dass dieses EE-bezogene LTP über einen neuartigen molekularen Weg induziert wird, der als direkte Folge der EE-Exposition entsteht. Darüber hinaus fanden sie heraus, dass die erhöhte LTP-Kapazität von Wildtyp-Mäusen und die gerettete Kapazität für LTP bei Knock-out-Mäusen epigenetisch (dh ohne Änderung ihres genetischen Codes) von der Mutter auf die Nachkommen übertragen werden können. Überraschenderweise traf diese Übertragung auch dann zu, wenn ihre Nachkommen in einer konventionellen Umgebung aufgezogen wurden.

Ist es wirklich die Umwelt?.

Um sicherzustellen, dass die bei den Nachkommen beobachtete erhöhte LTP auf die Exposition der Mutter gegenüber EE als Jugendlicher zurückzuführen ist, führten die Autoren mehrere clevere Kontrollen durch. Um die Möglichkeit auszuschließen, dass eine erhöhte LTP paternal vermittelt werden kann, wurden weibliche Wildtyp- und Knock-out-EE-Mäuse mit konventionell aufgezogenen Männern gepaart. Die Forscher fanden heraus, dass die Nachkommen der Wildtyp-Mäuse eine größere LTP-Kapazität hatten und dass die LTP bei den Nachkommen der Knock-Outs auf das Ausgangsniveau zurückgeführt wurde. Um zu zeigen, dass Effekte in der Gebärmutter auftreten, wurden Nachkommen von EE-Mäusen von konventionell aufgezogenen Müttern in Standardlaborhäusern aufgezogen. Wie erwartet wurde die LTP bei Nachkommen von Wildtyp-Mäusen erhöht und bei Knock-out-Mäusen auf die Ausgangswerte zurückgeführt.

Als nächstes verglichen die Autoren die Gedächtnisfunktion von Wildtyp- und LTP-Knockout-Mäusen, um festzustellen, wie EE Mäuse auf Verhaltensebene beeinflusst. Sie bewerteten das kontextuelle Gedächtnis anhand des sogenannten kontextuellen Paradigmas der Angstkonditionierung. Mäuse, die in einen Drahtkäfig gebracht werden, erhalten einen leichten Schock; In der Regel reagieren Mäuse auf Bedrohungen durch Einfrieren. Um zu beurteilen, ob die Maus lernt, den Käfig, in dem Schocks verabreicht werden, mit dem Schock zu assoziieren, messen die Forscher die gesamte Gefrierzeit der Maus während der anfänglichen Konditionierung (Training). Später testen sie das Gedächtnis auf diese Assoziation, indem sie das Einfrieren bei erneuter Exposition gegenüber dem Käfig entweder Stunden oder Tage später ohne Schock beobachten. Die Forscher fanden heraus, dass, während sowohl Wildtyp- als auch Knock-out-Mäuse während des Konditionierens ähnliche Gefriergrade zeigten, das Gedächtnis für den Kontext, in dem der Schock auftrat, in den Knock-outs beeinträchtigt war. Hier wird es interessant: Nachkommen von Knock-out-Mäusen, die als Jugendliche EE ausgesetzt waren, verbrachten genauso viel Zeit wie ihre normalen Kollegen eingefroren. Dieser Befund liefert eine entscheidende Verbindung zwischen EE-Exposition, LTP und dem neuartigen EE-induzierten molekularen Weg, der LTP und Verhalten unterstützt.

Die Bedeutung des Kontexts

Studien wie diese, in denen untersucht wird, wie die Umwelt die epigenetische Ausbreitung vererbbarer Merkmale beeinflusst, sind ein heißes Forschungsgebiet. Der Reiz des Themas liegt in der wissenschaftlichen Glaubwürdigkeit, die es der Vorstellung verleiht, dass wir und unsere Nachkommen nicht einfach einem zufälligen Evolutionsprozess und einer ererbten genetischen Schrift ausgeliefert sind, sondern, wenn nicht sogar Meister unseres eigenen Schicksals, zumindest in der Lage sind, sein Schicksal zu beeinflussen Kurs. Auf praktischer Ebene deuten solche Ergebnisse darauf hin, dass neuartige Therapien, die auf einfachen Interventionen wie EE basieren, die Auswirkungen genetisch vererbter Krankheiten abschwächen könnten.

Obwohl diese Implikationen verführerisch sind, lassen sich diese spezifischen Ergebnisse in der Regel nicht leicht verallgemeinern oder auf die menschliche Bevölkerung übertragen. EE schien den gedächtnisgestörten Phänotyp der nicht angereicherten Knock-outs zu retten, aber es ist zu wiederholen, dass unter dieser Manipulation die Wildtyp-Mäuse, die nach Angstkonditionierung ein verbessertes Kontextgedächtnis zeigten, keine verbesserte LTP zeigten.

Was für stark abgeleitete Linien von konventionell untergebrachten (sprich: sensorisch benachteiligten) Labormäusen gilt, kann möglicherweise nicht auf nicht benachteiligte Menschen verallgemeinert werden. Wir sollten nicht davon ausgehen, dass Kinder von Müttern, die sich in ihrer Jugend chronisch gelangweilt haben, Gedächtnisdefizite haben. Zweitens müssen Wissenschaftler die Anzahl der Variablen im Experiment kontrollieren, um Schlussfolgerungen zu ziehen. In diesen Experimenten analysierten Wissenschaftler nur eine Art des Lernens unter einem ganz bestimmten Parametersatz. Es ist durchaus möglich, dass dieselben Knock-out-Mäuse, die in der angereicherten Umgebung aufgezogen wurden, nicht lernen können, ob der Stimulus - die getestete Kontextassoziation - eher für ein emotional positives als für ein negatives Ereignis war. In diesem Zusammenhang gibt es viele Möglichkeiten, LTP zu induzieren. Daher ist es zumindest möglich, dass die von Arai, Li und Kollegen untersuchten molekularen Wege LTP vermitteln, das für die Bildung des kontextuellen Gedächtnisses nach Angstkonditionierung spezifisch ist.

Trotz dieser Vorbehalte liefert diese Studie eine posthume Bestätigung von Lamarcks Theorien über Veränderung und Vererbung. Obwohl Darwins Theorie der Evolution und der natürlichen Selektion immer noch ein Dogma ist, deutet die moderne Wissenschaft an, dass es dennoch einen Platz für einige von Lamarcks Intuitionen in einer vollständigen Darstellung der Vererbungsmechanismen gibt.

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