Болезнью Альцгеймера страдают более 6 миллионов человек в Соединенных Штатах, и существует очень мало одобренных FDA методов лечения, которые могут замедлить прогрессирование заболевания.
В надежде обнаружить новые цели для потенциальных методов лечения болезни Альцгеймера, исследователи Массачусетского технологического института провели самый широкий анализ геномных, эпигеномных и транскриптомных изменений, которые происходят в каждом типе клеток мозга пациентов с болезнью Альцгеймера.
Используя более 2 миллионов клеток из более чем 400 посмертных образцов мозга, исследователи проанализировали, как экспрессия генов нарушается по мере прогрессирования болезни Альцгеймера. Они также отслеживали изменения в эпигеномных модификациях клеток, что помогает определить, какие гены включены или выключены в конкретной клетке. Вместе эти подходы дают наиболее подробную картину генетических и молекулярных основ болезни Альцгеймера.
Исследователи сообщают о своих выводах в четырех статьях, опубликованных сегодня в журнале Cell. Исследования возглавили Ли-Хуэй Цай, директор Института обучения и памяти Пиковера Массачусетского технологического института, и Манолис Келлис, профессор информатики Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL) и член Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарвард.
«Мы намеревались объединить наши вычислительные и биологические знания и беспристрастно взглянуть на болезнь Альцгеймера в беспрецедентном масштабе среди сотен людей — то, чего раньше никогда не предпринималось», — говорит Келлис.
Результаты показывают, что взаимодействие генетических и эпигенетических изменений подпитывают друг друга, вызывая патологические проявления заболевания.
«Это многофакторный процесс», — говорит Цай. «В этих статьях используются разные подходы, которые указывают на сходящуюся картину болезни Альцгеймера, когда пораженные нейроны имеют дефекты в своем трехмерном геноме, и это является причиной многих наблюдаемых нами фенотипов заболевания».
Сложное взаимодействие
Многие усилия по разработке лекарств от болезни Альцгеймера были сосредоточены на амилоидных бляшках, которые образуются в мозгу пациентов. В своей новой серии исследований команда Массачусетского технологического института стремилась раскрыть другие возможные подходы, анализируя молекулярные причины заболевания, типы клеток, которые являются наиболее уязвимыми, и основные биологические пути, которые приводят к нейродегенерации.
С этой целью исследователи провели транскриптомный и эпигеномный анализ 427 образцов мозга в рамках проекта «Изучение религиозных орденов/Память и старение» (ROSMAP), лонгитюдного исследования, в ходе которого с 1994 года отслеживаются изменения в памяти, моторике и других возрастных изменениях у пожилых людей. В эти выборки вошли 146 человек без когнитивных нарушений, 102 человека с легкими когнитивными нарушениями и 144 человека с диагнозом деменция, связанная с болезнью Альцгеймера.
Во-первых Клетка В статье, посвященной изменениям экспрессии генов, исследователи использовали секвенирование одноклеточной РНК для анализа закономерностей экспрессии генов в 54 типах клеток головного мозга из этих образцов и определили клеточные функции, которые больше всего пострадали у пациентов с болезнью Альцгеймера. Среди наиболее заметных они обнаружили нарушения экспрессии генов, участвующих в функции митохондрий, синаптической передаче сигналов и белковых комплексах, необходимых для поддержания структурной целостности генома.
Это исследование экспрессии генов, которое возглавили бывший постдок Массачусетского технологического института Хансруеди Матис, аспирант Чжуй (Верна) Пэн и бывший аспирант Карлес Бойкс, также обнаружило, что генетические пути, связанные с липидным обменом, сильно нарушены. В работе, опубликованной в Природа В прошлом году лаборатории Цай и Келлис показали, что самый сильный генетический риск болезни Альцгеймера, называемый APOE4, мешает нормальному метаболизму липидов, что затем может привести к дефектам во многих других клеточных процессах.
В исследовании, проведенном Матисом, исследователи также сравнили модели экспрессии генов у людей, у которых наблюдались когнитивные нарушения, и у тех, у кого их не было, в том числе у тех, кто сохранял остроту зрения, несмотря на некоторую степень накопления амилоида в мозге – феномен, известный как когнитивная устойчивость. Этот анализ показал, что когнитивно устойчивые люди имеют большую популяцию двух подмножеств тормозных нейронов в префронтальной коре. У людей с деменцией, связанной с болезнью Альцгеймера, эти клетки более уязвимы к нейродегенерации и гибели клеток.
«Это открытие предполагает, что определенные популяции тормозных нейронов могут быть ключом к поддержанию когнитивных функций даже при наличии патологии Альцгеймера», — говорит Мэтис. «Наше исследование определяет эти конкретные подтипы тормозных нейронов как важнейшую цель для будущих исследований и потенциально может способствовать разработке терапевтических вмешательств, направленных на сохранение когнитивных способностей у стареющего населения».
Эпигеномика
В секунду Клетка В статье, возглавляемой бывшим постдоком Массачусетского технологического института Сюшеном Сюн, аспирантом Бенджамином Джеймсом и бывшим аспирантом Карлесом Буа, доктором философии ’22, исследователи изучили некоторые эпигеномные изменения, произошедшие у 92 человек, в том числе 48 здоровых людей и 44 с ранней или поздней стадия болезни Альцгеймера. Эпигеномные изменения — это изменения в химических модификациях или упаковке ДНК, которые влияют на использование определенного гена внутри данной клетки.
Чтобы измерить эти изменения, исследователи использовали метод под названием ATAC-Seq, который измеряет доступность сайтов по всему геному с разрешением одной клетки. Объединив эти данные с данными секвенирования одноклеточной РНК, исследователи смогли связать информацию о том, насколько экспрессируется ген, с данными о том, насколько доступен этот ген. Они также могли бы начать группировать гены в регуляторные цепи, которые контролируют определенные функции клеток, такие как синаптическая связь — основной способ, с помощью которого нейроны передают сообщения по всему мозгу.
Используя этот подход, исследователи смогли отследить изменения в экспрессии генов и эпигеномной доступности, которые происходят в генах, которые ранее были связаны с болезнью Альцгеймера. Они также определили типы клеток, которые с наибольшей вероятностью будут экспрессировать эти гены, связанные с заболеваниями, и обнаружили, что многие из них чаще всего встречаются в микроглии — иммунных клетках, ответственных за очистку мозга от мусора.
Это исследование также показало, что по мере прогрессирования болезни Альцгеймера каждый тип клеток в головном мозге подвергается явлению, известному как эпигеномная эрозия. Это означает, что нормальный набор доступных геномных участков клеток теряется, что способствует потере идентичности клеток.
Роль микроглии
В третьем Клетка В статье, возглавляемой аспирантом Массачусетского технологического института На Суном и ученым-исследователем Матеусом Виктором, исследователи сосредоточились в первую очередь на микроглии, которая составляет от 5 до 10 процентов клеток мозга. Помимо очистки мозга от мусора, эти иммунные клетки также реагируют на травмы или инфекции и помогают нейронам общаться друг с другом.
Это исследование основано на статье Цая и Келлиса 2015 года, в которой они обнаружили, что многие варианты полногеномного исследования ассоциаций (GWAS), связанные с болезнью Альцгеймера, преимущественно активны в иммунных клетках, таких как микроглия, гораздо больше, чем в нейронах или других типах клеток. клетки мозга.
В новом исследовании исследователи использовали секвенирование РНК, чтобы классифицировать микроглию по 12 различным состояниям на основе сотен генов, которые экспрессируются на разных уровнях в каждом состоянии. Они также показали, что по мере прогрессирования болезни Альцгеймера все больше микроглии переходит в воспалительные состояния. Лаборатория Цай также ранее показала, что по мере усиления воспаления в мозге гематоэнцефалический барьер начинает разрушаться, и нейроны начинают испытывать трудности при общении друг с другом.
В то же время меньшее количество микроглии в мозге при болезни Альцгеймера находится в состоянии, которое способствует гомеостазу и помогает мозгу нормально функционировать. Исследователи определили факторы транскрипции, которые активируют гены, которые удерживают микроглию в этом гомеостатическом состоянии, и лаборатория Цай в настоящее время изучает способы активации этих факторов в надежде вылечить болезнь Альцгеймера путем программирования микроглии, вызывающей воспаление, на переключение обратно в гомеостатическое состояние. .
повреждение ДНК
В четвёртом Клетка В исследовании, проведенном учеными из Массачусетского технологического института Вишну Дилипом и Бойсом, исследователи изучили, как повреждение ДНК способствует развитию болезни Альцгеймера. Предыдущая работа лаборатории Цая показала, что повреждение ДНК может появиться в нейронах задолго до появления симптомов болезни Альцгеймера. Частично это повреждение является следствием того, что во время формирования памяти нейроны создают множество двухцепочечных разрывов ДНК. Эти разрывы быстро устраняются, но процесс восстановления может стать сбоем по мере старения нейронов.
Это четвертое исследование показало, что по мере того, как в нейронах накапливается больше повреждений ДНК, им становится труднее восстанавливать повреждения, что приводит к перестройкам генома и дефектам трехмерной складки.
«Когда в нейронах имеется большое количество повреждений ДНК, клетки, пытаясь восстановить геном, совершают ошибки, которые вызывают перестройки», — говорит Дилип. «Я люблю использовать аналогию: если на изображении есть одна трещина, вы можете легко собрать ее обратно, но если вы разобьете изображение и попытаетесь собрать его воедино, вы допустите ошибки».
Эти ошибки восстановления также приводят к явлению, известному как слияние генов, которое происходит, когда между генами происходят перестройки, приводящие к нарушению регуляции генов. Помимо дефектов сворачивания генома, эти изменения, по-видимому, преимущественно влияют на гены, связанные с синаптической активностью, что, вероятно, способствует снижению когнитивных функций, наблюдаемому при болезни Альцгеймера.
По словам исследователей, полученные результаты открывают возможность поиска способов повышения способности нейронов к восстановлению ДНК, чтобы замедлить прогрессирование болезни Альцгеймера.
Кроме того, лаборатория Келлиса теперь надеется использовать алгоритмы искусственного интеллекта, такие как модели белкового языка, графовые нейронные сети и большие языковые модели, для открытия лекарств, которые могут воздействовать на некоторые ключевые гены, которые исследователи определили в этих исследованиях.
Исследователи также надеются, что другие ученые воспользуются их геномными и эпигеномными данными. «Мы хотим, чтобы мир использовал эти данные», — говорит Келлис. «Мы создали онлайн-хранилища, где люди могут взаимодействовать с данными, получать к ним доступ, визуализировать их и проводить анализ на лету».
Исследование частично финансировалось Национальными институтами здравоохранения и консорциумом CIRCUITS Фонда лечения болезни Альцгеймера.