Daugelis žmonių atpažįsta Alzheimerio liga dėl pražūtingų simptomų, tokių kaip atminties praradimas, o nauji vaistai nukreipti į patologinius ligos apraiškų aspektus, tokius kaip amiloidinių baltymų plokštelės. Dabar skelbiamas naujas tyrimas žurnale Ląstelė MIT tyrėjai parodo, kad svarbu suprasti ligą kaip kovą dėl to, kaip gerai smegenų ląstelės kontroliuoja jų genų raišką.
Tyrimas nutapė didelės skiriamosios gebos vaizdą apie beviltišką kovą siekiant išlaikyti sveiką genų ekspresiją ir genų reguliavimą, kai nesėkmės ar sėkmės pasekmės yra ne kas kita, kaip ląstelių funkcijos ir pažinimo praradimas ar išsaugojimas.
Tyrime pateikiamas pirmasis tokio pobūdžio, daugiamodalinis kombinuoto genų ekspresijos atlasas ir genų reguliavimas, apimantis 3,5 mln. Ląstelių iš šešių smegenų sričių, gautų profiliuojant 384 pomirtinius smegenų mėginius 111 donorų. Tyrėjai profiliavo ir „transkriptą“, parodydamas, kurie genai yra išreikšti RNR, ir „epigenoma“, chromosomų modifikacijų rinkinį, kuris nustato, kurie DNR regionai yra prieinami ir tokiu būdu naudojami tarp skirtingų ląstelių tipų.
Gautas atlasas atskleidė daugybę įžvalgų, rodančių, kad Alzheimerio ligos progresavimui būdingos dvi pagrindinės epigenominės tendencijos. Pirma, pažeidžiamos ląstelės pagrindiniuose smegenų regionuose patiria griežtų branduolinių „skyrių“ suskirstymą, kurį jie paprastai palaiko, kad užtikrintų, jog kai kurios genomo dalys yra atviros išraiškai, tačiau kitos lieka užrakintos.
Antroji pagrindinė išvada yra tai, kad jautrios ląstelės patiria „epigenominės informacijos praradimą“, tai reiškia, kad jos praranda unikalų genų reguliavimo ir išraiškos modelį, kuris suteikia jiems specifinę tapatumą ir įgalina jų sveiką funkciją.
Kartu su pažeistos dalies suskirstymo ir epigenominės informacijos erozijos įrodymais yra daugybė specifinių išvadų, nurodančių molekulinę schemą, kuri suskaidoma pagal ląstelių tipą, pagal regioną ir genų tinklą.
Pavyzdžiui, jie nustatė, kad pablogėjus epigenominėms sąlygoms, tai atveria duris daugelio genų, susijusių su liga, ekspresijai, tuo tarpu, jei ląstelės sugebės išlaikyti savo epigenominį namą, jie gali išlaikyti su liga susijusius genus. Be to, tyrėjai aiškiai pamatė, kad kai įvyko epigenominiai suskirstymai, žmonės prarado pažintinius sugebėjimus, tačiau ten, kur išliko epigenominis stabilumas, taip pat pažinimas.
„Norėdami suprasti schemą, logiką, atsakingą už Alzheimerio ligos genų ekspresijos pokyčius, mums reikėjo suprasti visų vykstančių pokyčių reguliavimą ir kontrolę prieš srovę, ir štai kur atsiranda epigenomas“, – teigė vyresnysis autorius Manollis Kellis, informatikos ir dirbtinės žvalgybos laboratorijos bei MIT skaičiavimo biologijos grupės vadovas.
„Tai yra pirmasis didelio masto vieno ląstelių daugiaregiono genų reguliavimo atlasas AD, sistemingai išpjaustydamas epigenominių ir transkriptominių programų dinamiką ligos progresavime ir atsparume.”
Atlikus išsamų Alzheimerio progresavimo epigenominių mechanizmų tyrimą, tyrimas pateikia projektą, kaip sukurti naujus Alzheimerio gydymo būdus, kurie gali būti nukreipti į veiksnius, kuriais grindžiamas platus epigenominės kontrolės erozija, arba konkrečias apraiškas, turinčias įtakos pagrindiniams ląstelių tipams, pavyzdžiui, neuronams ir palaikančioms glialinėms ląstelėms.
„Reikia kurti naują ir efektyvesnį Alzheimerio ligos gydymo būdą, priklauso nuo mūsų supratimo apie mechanizmus, kurie prisideda prie ląstelių ir tinklo funkcijų suskirstymo smegenyse“,-sakė „Picower“ profesorius ir atsakingasis autorius Li-Huei Tsai, „Picower“ mokymosi ir atminties instituto direktorius, „MIT“ smegenų nario iniciatyvos iniciatyvos direktorius, kartu su Kellis. „Šie nauji duomenys skatina mūsų supratimą apie tai, kaip epigenominiai veiksniai skatina ligą.”
„Kellis Lab“ nariai Zunpeng Liu ir Shanshan Zhang yra tyrimo bendrieji autoriai.
Pažeistos skyriai ir išnaikinta informacija
Tarp tyrimo smegenų pomirtinių smegenų mėginių 57 iš rėmėjų atėjo į religinių ordinų tyrimą arba Rush atminties ir senėjimo projektą (kartu žinomą kaip „Rosmap“), kurie neturėjo AD patologijos ar simptomų, o 33-iš donorų, turinčių ankstyvosios stadijos patologiją, ir 21-iš donorų vėlyvame etape. Todėl mėginiai pateikė turtingą informaciją apie simptomus ir patologiją, kurią kiekvienas donoras patyrė prieš mirtį.
Naujajame tyrime Liu ir Zhang sujungė mėginių pavienių ląstelių RNR sekos nustatymo analizę, kurios matuoja, kurie genai yra ekspresuojami kiekvienoje ląstelėje, ir ATACSEQ, kuris matuoja, ar chromosomų sritys yra prieinamos genų ekspresijai.
Laikoma, kad šios transkriptominės ir epigenominės priemonės leido tyrėjams suprasti molekulines detales, kaip genų ekspresija reguliuojama septyniose plačiose smegenų ląstelių klasėse (pvz.
Tyrėjai anotuoja daugiau nei 1 milijoną genų reguliavimo kontrolės regionų, kuriuos skirtingos ląstelės naudoja savo specifinėms tapatybėms ir funkcionalumui nustatyti naudojant epigenominį žymėjimą. Tada, palygindami Alzheimerio smegenų ląsteles su tomis, kurios nėra ir apskaitos patologijos bei pažinimo simptomų stadijos, jos galėtų užmegzti griežtus ryšius tarp šių epigenominių žymėjimų erozijos ir galiausiai prarasti funkciją.
Pavyzdžiui, jie pamatė, kad tarp žmonių, kurie pateko į vėlyvosios pakopos AD, paprastai represiniai skyriai atsivėrė daugiau išraiškos ir skyrių, kurie paprastai buvo atviresni sveikatos metu, tapo labiau represuoti. Nerimą kelia, kai dažniausiai atsivėrė smegenų ląstelių represiniai skyriai, jos labiau kenčia nuo ligos.
„Alzheimerio liga pacientams atsivėrė represiniai skyriai, o genų ekspresijos lygis padidėjo, o tai buvo susijusi su sumažėjusia kognityvinė funkcija“, – aiškino pirmasis autorius Zunpeng Liu.
Bet kai ląstelės sugebėjo išlaikyti savo skyrius taip, kad išreikštų genus, kuriuos jie turėjo, žmonės liko kognityviai nepažeisti.
Tuo tarpu, remdamiesi ląstelių reguliavimo elementų ekspresija, tyrėjai sukūrė kiekvienos ląstelės epigenominį informacijos balą. Paprastai informacija sumažėjo, kai progresuoja patologija, tačiau tai buvo ypač pastebima tarp dviejų smegenų regionų ląstelių, paveiktų ankstyviausių Alzheimerio liga: Entorhinalinė žievė ir hipokampas.
Analizės taip pat išryškino specifinius ląstelių tipus, kurie buvo ypač pažeidžiami, įskaitant mikroglia, vaidinančias imuninį ir kitus vaidmenis, oligodendrocitus, gaminančius mielino izoliaciją neuronams, ir tam tikrus sužadinimo neuronų rūšis.
Rizikos genai ir „chromatino sargybiniai“
Išsamios analizės dokumente pabrėžiama, kaip epigenominis reguliavimas stebimas su liga susijusiomis problemomis, pažymėjo Liu. Pavyzdžiui, APOE geno E4 variantas yra plačiai suprantamas kaip vienintelis didžiausias Alzheimerio genetinės rizikos veiksnys. APOE4 smegenyse „Microglia“ iš pradžių reagavo į kylančios ligos patologiją, padidindama jų epigenominę informaciją, ir tai rodo, kad jie prisiima savo unikalią atsakomybę kovoti su liga.
Tačiau progresuojant liga ląstelės smarkiai sumažėjo informacijos kritime, pablogėjimo ir degeneracijos požymis. Šis posūkis buvo stipriausias žmonėms, kurie turėjo dvi „Apoe4“ egzempliorius, o ne vieną. Išvados, pasak Kelliso, rodo, kad APOE4 gali destabilizuoti mikroglia genomą, todėl jie sudegė.
Kitas pavyzdys yra neuronų, išreiškiančių geną Reln ir jo baltymą, likimas. Ankstesni tyrimai, įskaitant Kellis ir Tsai, parodė, kad reln-ekspresuojantys neuronus Entorhinalinėje žievėje ir hipokampe yra ypač pažeidžiami Alzheimerio liga, tačiau skatina atsparumą, jei jie išgyvens. Naujasis tyrimas parodo naują jų likimą parodant, kad jie pasireiškia ankstyvu ir sunkiu epigenominiu informacijos praradimu, nes ligos pažanga, tačiau žmonėms, kurie išliko pažintinai atsparūs, neuronai palaikė epigenominę informaciją.
Dar viename pavyzdyje tyrėjai sekė tai, ką jie šnekučiuojasi „chromatino sargybinius“, nes jų išraiška palaiko ir reguliuoja ląstelių epigenomines programas. Pavyzdžiui, ląstelėse, kuriose yra didesnė epigenominė erozija ir pažengusi AD progresija, padidėjo chromatino prieinamumas tose vietose, kurias turėjo būti užfiksuotos poliombo represijos genai ar kiti genų ekspresijos duslintuvai. Nors atsparios ląstelės išreiškė genus, skatinančius nervų ryšį, epigenomiškai išnaikintos ląstelės išreiškė genus, susijusius su uždegimu ir oksidaciniu stresu.
„Žinia aiški: Alzheimerio liga yra ne tik apie plokšteles ir susivėlimus, bet ir apie pačios branduolinės tvarkos eroziją“, – teigė Kellis. „Kognityvinis nuosmukis išryškėja, kai chromatino globėjai praranda pagrindą erozijos jėgoms, pereinant nuo atsparumo prie pažeidžiamumo pagrindiniu genomo reguliavimo lygiu.
„Ir kai mūsų smegenų ląstelės praranda epigenominės atminties ženklus ir epigenominę informaciją žemiausiame lygyje giliai mūsų neuronų ir mikroglia viduje, atrodo, kad Alzheimerio ligos pacientai taip pat praranda savo atmintį ir pažinimą aukščiausiame lygyje”.