Основные трудности изучения молекулярных основ формирования долговременной памяти связаны как с множеством сигнальных систем, интеграция которых необходима для успешного обучения, так и многообразием регуляторных процессов, взаимодействующих на уровне генома. К последним относится регуляция экспрессии генов посредством ДНК-связывающих транскрипционных факторов, а также эпигенетические модификации, регулирующие структуру хроматина, или биогенез матричных РНК (мРНК) посредством микроРНК. МикроРНК привлекают повышенное внимание исследователей в связи с их важным значением для развития нервной системы, формирования синаптической пластичности и долговременной памяти, а также высоким потенциалом для терапии заболеваний связанных с когнитивными нарушениями [1]. Кроме того, микроРНК выходя во внеклеточное пространство могут служить межклеточными коммуникаторами и потенциально биомаркерами для диагностики болезней. МикроРНК это высоко консервативные, небольшие эндогенные РНК, способные подавлять до 70% мРНК, кодирующих белки. При этом одна микроРНК способна регулировать экспрессию целой сети генов (часто несколько десятков) и соответственно ее дисфункция может вызывать большой полигенный эффект. Наибольшее количество микроРНК экспрессируется в ЦНС, причем спектр экспрессии различается в разных структурах и клеточных элементах мозга, а биогенез регулируется нейронной активностью. В связи с вышесказанным, а также учитывая значительную сложность устройства ЦНС, функции микроРНК изучены еще очень фрагментарно.

Важную роль в исследовании эпигенетических процессов в механизмах пластичности играют животные с относительно простым устройством ЦНС, в частности моллюски. Мы используем выработку условного рефлекса пищевой аверзии у моллюска Helix в основе которого лежит изменение эффективности синаптической передачи между нейронами, лежащими в сети данного рефлекса. Нами показано, что в формирование данного рефлекса вовлекаются как микроРНК потенциально необходимые для блокады мРНК, негативно влияющих на механизмы пластичности, так и микроРНК вовлекаемые в деблокаду генов необходимых для пластических перестроек. Дальнейшие исследования, проведенные совместно с сотрудниками ИЦиГ и НЦИиВТ СО РАН, показали, что при обучении Helix дифференциально экспрессируется несколько десятков различных консервативных микроРНК причем у половины микроРНК экспрессия растет, а у другой подавляется [2]. Среди зарегистрированных нами микроРНК имеется несколько гомологов участвующих в формировании ДП у позвоночных и человека. Кроме того, мы осуществили сравнительный анализ экспрессии микроРНК у хорошо обучающихся и плохо обучающихся животных с дисфункцией серотонинергической системы подвергнутых процедуре обучения. Эти исследования позволили подтвердить важную роль в формировании ДП нескольких семейств микроРНК, в том числе семейства MIR-10 наиболее представленного в ЦНС Helix, семейств MIR-33, MIR-133, MIR-153, а также показать важную роль серотонинергической системы в регуляции экспрессии микроРНК [2]. Изменение метаболизма ряда микроРНК у животных с дисфункцией серотонинергической системы наряду с эпигенетическими изменениями в структуре хроматина и модификацией транскрипционных факторов, через нарушение экспрессии нижележащих генов могут лежать в основе нарушения долговременной памяти, связанной с оборонительным поведением у Helix. Наши данные о вовлечении в формирование долговременной памяти у Helix ряда консервативных микроРНК играющих важную роль в механизмах пластичности разных видов животных, в том числе позвоночных, подтверждают и расширяют идею о том, что молекулярный механизм, участвующий в формировании долговременной памяти, включая эпигенетическую маркировку, является консервативным явлением в ходе эволюции. Разработка различных моделей обучения в том числе с когнитивными нарушениями на разных видах животных, применение новейших технологий редактирования генома и эпигенома позволяет надеяться на прогресс в этой сложнейшей области исследований. Последние достижения в этой области, а также перспективы применения микроРНК в качестве целевых мишеней для улучшения когнитивных нарушений связанных с дисфункцией микроРНК при нейродегенеративных, неврологических и возрастных дисфункциях будут обсуждены в докладе. Оптимизм в данной области связан с появлением технологий редактирования геномов CRISPR/Cas направленных на РНК [3].



Работа поддержана Государственной программой ГП-47 «Научно-технологическое развитие

Российской Федерации» (2019-2030 гг.), тема 0134-2019-0004.



1. Л.Н. Гринкевич. Роль микроРНК в обучении и долговременной памяти. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2020. Т. 24. N8. Стр. 885-896. DOI 10.18699/VJ20.687.

2. Ovchinnikov, V.Y.; Lisachev, P.D.; Bondar, N.P.; Grinkevich, L.N. The Expression of miRNAs Involved in Long-Term Memory Formation in the CNS of the Mollusk Helix lucorum. Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 301. https://doi.org/10.3390/ijms24010301

3. Л.Н. Гринкевич. Редактирование генома и регуляция экспрессии генов с помощью технологий CRISPR/СAS в нейробиологии. Успехи физиологических наук, 2021, Т. 52, № 3, с. 1–21. DOI: 10.31857/S0301179821030024.

The main challenges in studying the molecular basis of long-term memory formation are associated with the multitude of signaling systems, the integration of which is necessary for successful learning, and the variety of regulatory processes that interact at the genome level. The latter include the regulation of gene expression through DNA-binding transcription factors, as well as epigenetic modifications that regulate the structure of chromatin, or messenger RNA (mRNA) biogenesis through microRNA. MicroRNAs gained increased attention of researchers due to their importance in the development of the nervous system, in the formation of synaptic plasticity and in long-term memory, and due to high potential of the use of miRNAs for the treatment of diseases associated with cognitive impairment [1]. In addition, miRNAs entering the extracellular space can serve as intercellular communicators and potentially biomarkers for diseases diagnostics. MicroRNAs are highly conserved, small endogenous RNAs capable of repressing up to 70% of protein-coding mRNAs. At the same time, one microRNA is able to regulate the expression of an entire network of genes (often several tens) and, accordingly, its dysfunction can cause a large polygenic effect. The greatest amount of miRNA is expressed in the CNS, and the expression spectrum varies in different structures and cellular elements of the brain, and biogenesis is regulated by neuronal activity. In connection with the foregoing, and taking into account the significant complexity of the CNS structure, the studies of microRNAs functions have been studied very fragmentarily.

An important role in the study of epigenetic processes in the mechanisms of plasticity is played by animals with a relatively simple structure of the CNS, in particular, mollusks. We use the development of a conditioned reflex of food aversion in the Helix mollusk, which is based on a change in the efficiency of synaptic transmission between neurons that lie in the network of this reflex. We have shown that the formation of this reflex involves both microRNAs potentially necessary for the inhibition of mRNAs that negatively affect the mechanisms of plasticity, and microRNAs involved in the activation of genes necessary for plastic rearrangements. Further studies, carried out in collaboration with Institute of Cytology and Chemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, showed that during Helix training, several dozens of different conserved microRNAs are differentially expressed, with expression increasing in half of the microRNAs and suppressed in the other [2]. Among the miRNAs found by us, there are several homologues involved in the formation of LTP in vertebrates and humans. In addition, we carried out a comparative analysis of microRNAs expression in well-learning and poorly learning animals with dysfunction of the serotonergic system subjected to the learning procedure. These studies allowed us to confirm the important role in the LTM formation of several miRNA families, including the MIR-10 family, which is the most represented in the CNS Helix, the MIR-33, MIR-133, MIR-153 families, and to show the important role of the serotonergic system in the regulation of microRNA expression [2]. Changes in the metabolism of a number of microRNAs in animals with dysfunction of the serotonergic system, along with epigenetic changes in the structure of chromatin and modification of transcription factors, through impaired expression of downstream genes, may underlie the impairment of long-term memory associated with defensive behavior in Helix. Our data on the involvement of a number of conservative microRNAs in the Helix memory formation, which play an important role in the mechanisms of plasticity in various animal species, including vertebrates, confirm and expand the idea that the molecular mechanism the of long-term memory formation, including epigenetic marking, is conservative phenomenon in the course of evolution. The development of various learning models, including those with cognitive impairments in different animal species, the use of the latest genome and epigenome editing technologies, allows us to hope for progress in this most complex area of research. Recent advances in this field, as well as prospects for the use of miRNAs as target targets for improving cognitive impairment associated with microRNA dysfunction in neurodegenerative, neurological and age-related dysfunctions, will be discussed in the report. Optimism in this area is associated with the advent of CRISPR/Cas genome-editing technologies aimed at RNA [3].

This study was supported by the State Program GP-47 “Scientific and Technological Development of the Russian Federation” (2019-2030), theme 0134-2019-0004.



1. Grinkevich LN. The role of microRNAs in learning and long-term memory. Vavilovskii Zhurnal Genet Selektsii. 2020 Dec;24(8):885-896. doi: 10.18699/VJ20.687.

2. Ovchinnikov, V.Y.; Lisachev, P.D.; Bondar, N.P.; Grinkevich, L.N. The Expression of miRNAs Involved in Long-Term Memory Formation in the CNS of the Mollusk Helix lucorum. Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 301. https://doi.org/10.3390/ijms24010301

3. L. N. Grinkevich Genome Editing and Regulation of Gene Expression Using CRISPR/СAS Technologies in Neurobiology. Usp phys nauk, 2021, 52, (3): 1–21. DOI: 10.31857/S0301179821030024.