Erken yaşamdaki olumsuz deneyimlerin, beyin hücrelerinin DNA’yı nasıl paketlediği konusunda kalıcı değişikliklere yol açabileceği uzun zamandır bilinmektedir. Bu durum, bireylerin yetişkinlikte strese karşı daha savunmasız hale gelmesine neden olabilir. Son yapılan bir araştırma, erken dönemdeki stresin, özellikle önemli bir beyin bölgesinde DNA’nın daha gevşek bir şekilde sarılmasına neden olan belirli bir enzimi artırdığını ve bu durumun beynin gelecekteki stres faktörlerine karşı aşırı tepki vermesine yol açtığını göstermiştir. Bu moleküler değişikliğin önlenmesi, farelerde yetişkinlikte artmış strese duyarlılığın gelişmesini engellemiştir.
Çocukluk travması ve erken yaşamdaki şiddetli stresin, yetişkinlikte anksiyete, depresyon ve diğer ruh hali bozuklukları için önemli risk faktörleri olduğu bilinmektedir. Bu araştırmanın yazarları, çocukluk dönemindeki travmanın beyinde kalıcı değişikliklere yol açma mekanizmalarını anlamayı amaçlamışlardır.
“Milyonlarca çocuk büyürken stres yaşıyor,” diye açıklayan Catherine Jensen Peña, Princeton Nörobilim Enstitüsü’nde yardımcı doçent. “Yıllardır, bir çocuğun ne kadar çok strese maruz kaldığını biliyoruz, o kadar büyük bir riskle karşılaşıyor ve bu stresin anksiyete, depresyon veya bağımlılıklara yol açma olasılığı artıyor. Ancak bu gizli savunmasızlığın biyolojisi hakkında çok az şey biliyorduk. Nihayetinde, umudumuz bu araştırmanın yeni tedavi yöntemlerine ışık tutmasıdır.”
Bilim insanları, bu konuyu araştırmak için özellikle dopamin üreten nöronların bulunduğu ve ödül ile olumsuz deneyimleri işleyen ventral tegmental alan adı verilen bir beyin bölgesine odaklanmışlardır. Bu dopamin hücreleri içindeki epigenom incelenmiştir. Epigenom, DNA’ya bağlanan moleküler etiketlerden oluşur ve belirli genlerin açılıp kapanmasını belirler.
Beyin içinde, DNA, histon adı verilen proteinlere sıkıca sarılır, bu da yayılan bir yay gibi görünür. DNA sarmalının sıkıştırılması durumunda, genler gizlenir ve kapatılırken, kimyasal etiketler sarmalı açarak genlerin çevresel tetikleyiciler tarafından kolayca etkinleştirilmesini sağlar.
“Çocukluk dönemindeki olumsuz deneyimlerin hemen belirgin olmayabileceğini, ancak bazen yetişkinlikte yeni streslerle karşılaşıldığında aşırı duyarlılık şeklinde ortaya çıkabileceğini” belirtmiştir. “Bu gizli duyarlılığın epigenetik arayüzdeki doğa ve yetiştirme etkileşimiyle ilgili bir mekanizma bulduk.”
Erken yaşamdaki stresi bu moleküler etiketlerin nasıl değiştirdiğini gözlemlemek için, araştırmacılar öncelikle beyin dokusu üzerinde kütle spektrometrisi adı verilen bir analitik teknik kullanmışlardır. Standart bakım koşullarına sahip 18 yetişkin erkek fare ile erken dönemde strese maruz kalmış olan diğer 18 fare grubundan örnekler karşılaştırılmıştır. Stresli grupta, erken yaşam stresi, ventral tegmental alanda birden fazla histon modifikasyonunun oranlarını sürekli olarak değiştirdiğini göstermiştir. Özellikle stresli farelerde, genellikle açık bir DNA durumuna bağlı olan 14 farklı modifikasyonun seviyeleri artmıştır. Araştırmacılar, özellikle H3K4me1 adı verilen belirli bir kimyasal etiketin büyük istatistiksel etki büyüklüğünü not etmiş ve daha sonra ayrı bir erkek ve dişi fare grubunda protein analizi kullanarak bunu doğrulamışlardır.
Bilim insanları, bu H3K4me1 etiketini histonlara ekleyen enzimi belirlemeye çalışmışlardır. Sekiz erkek fareden elde edilen RNA dizileme verileri analiz edilmiş ve yeni bir erkek ve dişi fare grubunda gen ekspresyonu testleri yapılmış, burada standart bakım koşullarına sahip olanlar ile stresli olanlar karşılaştırılmıştır. Erken yaşam stresi, ventral tegmental alanda Setd7 geninin ifadesini artırmış, bu da enzimin H3K4me1 etiketini yerleştiren enzimlerin üretimini artırarak DNA yapısını açık tutmuştur.
Bu enzimin etkilerini taklit etmek için, araştırmacılar juvenil farelerde Setd7’yi yapay olarak aşırı eksprese etmek için viral vektörler kullanmışlardır. Bu yaklaşım, enzimi tanıtmak için bir genetik manipülasyon biçimini temsil ediyordu, ancak enzimlerin hangi genleri hedeflediğini kesin olarak belirtmiyordu.
“SETD7’nin artırılması oldukça geniş kapsamlı ve spesifik olmayan bir araçtı (H3K4me1’in genomdaki nereye yerleştiği üzerinde kontrole sahip değildik), bu nedenle bunun erken yaşam stresi etkilerini taklit etmesi biraz şans eseriydi,” diye belirtmiştir. “Erken yaşam stresinin genom boyunca nereye etki ettiğini henüz bilmiyoruz veya geniş kapsamlı yaklaşımın önemli olup olmadığını.”
Kontrol grubuna nötr bir viral vektör verilen farelerle karşılaştırılarak bu genetik olarak değiştirilmiş gruptaki etkileri gözlemlemişlerdir. Fareler yetişkinliğe ulaştığında, kısa süreli bir sosyal yenilgi stres protokolüne maruz kalmış ve araştırmacılar 13 fareden beyin dokusundan RNA örnekleri alarak gen aktivitesini gözlemlemiştir.
Kontrol farelerinde, yetişkin stres faktörü çoğunlukla gen aktivitesini baskılamış, 99 genin ifadesini azaltmış ve 39 genin ifadesini artırmıştır. Yapay olarak Setd7 ekspresyonu artırılmış farelerde ise tam tersi bir durum gözlemlenmiştir. Yetişkin stres faktörü, 48 genin ifadesini artırmış ve yalnızca üç genin ifadesini azaltmıştır. Bu durum, açık DNA yapısının hücreleri gelecekteki strese karşı hiperaktif bir genetik tepkiye hazırladığını gösteren kanıtlar sunmuştur.
Araştırmacılar ayrıca dopamin nöronlarının elektriksel aktivitesini de ölçmüşlerdir. Juvenil farelerde Setd7 ekspresyonunu yapay olarak artırmış ve yetişkinlikte bu fareler üç gün boyunca öngörülemeyen stres faktörlerine maruz kalmıştır. Bilim insanları, farklı deneysel ve kontrol gruplarından yaklaşık 36 fareden dopamin nöronlarının elektriksel ateşlenmesini mikroskobik elektrotlarla kaydetmiştir.
Setd7 ekspresyonunun artırılması, stresli olmayan farelerde dopamin hücrelerinin temel elektriksel aktivitesini değiştirmemiştir. Yetişkin stres protokolinden sonra, Setd7 ekspresyonu artırılmış farelerdeki dopamin nöronları, uyarılmaya yanıt olarak daha hızlı ateşlenmiş ve kontrol farelerine kıyasla daha yüksek bir temel elektriksel akım göstermiştir. Bu durum, epigenetik değişikliklerin hücrelerin gelecekteki strese karşı toleransını azalttığını, sadece temel aktiviteyi artırmadığını göstermektedir.
Bu hiperaktivitenin davranış üzerindeki etkilerini gözlemlemek için, 28 fare kullanılmış ve bunlar erkek ve dişi olarak eşit şekilde bölünmüştür. Farelerin yarısına juvenil dönemde Setd7 ekspresyonu yapay olarak artırılmışken, diğer yarısına nötr bir vektör verilmiştir. Yetişkinlikte bu fareler sosyal etkileşim testi ve açık alan keşif testine tabi tutulmuş ve daha sonra sosyal yenilgi stresine maruz kalmıştır.
Kısa süreli yetişkin stres faktörü, kontrol farelerinin davranışını önemli ölçüde etkilememiştir. Setd7 ekspresyonu artırılmış farelerde ise, yetişkin stres faktörü sosyal etkileşim süresini azaltmış ve açık alandaki keşif süresini düşürmüştür. Bu davranış değişikliği, DNA yapısının yapay olarak açılmasının fareleri yetişkin strese karşı daha duyarlı hale getirdiğini göstermektedir.
Son olarak, bu enzimin etkilerini bloke etmenin stres hassasiyetini önleyip önlemediği araştırılmıştır. Erken yaşamda strese maruz kalmış farelerde Setd7 seviyelerini azaltmak için özel bir viral vektör kullanılmış ve yaklaşık 50 farenin davranışları incelenmiştir. Bu fareler, standart bakım koşullarına sahip olanlar ile erken yaşam stresine maruz kalanlar olmak üzere iki gruba ayrılmıştır.
Araştırma, kullanılan genetik araçların kesinliğiyle ilgili bazı sınırlamalara sahiptir. Hedeflenen beyin bölgesindeki tüm hücre tiplerinde değişikliklere neden olan bir viral vektör kullanılmıştır. Bu geniş uygulama, sonuçlanan davranışsal değişikliklerin kısmen komşu dopamin olmayan hücrelerdeki değişikliklerden kaynaklanabilir.
“Bu çalışmada stres hassasiyetini hafifletmek için gen terapisi kullandık, ancak bunun insanlarda güvenli ve etik bir şekilde nasıl kullanılacağını henüz bilmiyoruz,” diye açıklamıştır. “Bunun yerine, erken yaşam stresi tarafından sağlanan artan duyarlılığı olumlu bağlamlarda kullanmanın yollarını araştırabiliriz.”
Bu yaklaşım, mevcut deneylerin yalnızca kaçıncı stres faktörlerine odaklandığı gerçeğiyle uyumludur. Bu epigenetik hazırlık mekanizmasının aynı zamanda yetişkinlikte olumlu, zenginleştirici deneyimlere karşı de beyin duyarlılığını artırıp artırmadığı bilinmemektedir.
Çalışma, ” Early-life stress alters H3K4me1 in VTA to prime stress sensitivity ,” Hye Ji J. Kim, Luke T. Geiger, Julie-Anne Balouek, Lisa Z. Fang, Mason R. Barrett, Jeremy M. Thompson, Lorna A. Farrelly, Travis Hage, Rixing Lin, Andy S. Chen, Megan Tang, Hao Huang, Anna Buretta, Agatha Chan, Shannon N. Bennett, Benjamin A. Garcia, Ian Maze, Meaghan C. Creed ve Catherine Jensen Peña tarafından yazılmıştır.
