Исследование Массачусетского технологического института , опубликованное в журнале Nature, предоставляет новые доказательства того, как определенные клетки и нейронные цепи становятся уязвимыми при болезни Альцгеймера, а также подробно рассматривает другие факторы, которые могут помочь некоторым людям демонстрировать устойчивость к снижению когнитивных способностей, даже на фоне явных признаков патологии заболевания.

Чтобы выделить потенциальные цели для вмешательств, направленных на поддержание когнитивных функций и памяти, авторы провели новое сравнение экспрессии генов в различных областях мозга у людей с болезнью Альцгеймера и без нее, а также провели лабораторные эксперименты для проверки и подтверждения своих основных результатов.

Все клетки мозга имеют одинаковую ДНК, но то, что делает их разными, как по своей идентичности, так и по своей активности, это их модели того, как они выражают эти гены. Новый анализ измерил различия в экспрессии генов в более чем 1,3 миллиона клеток более 70 типов клеток в шести областях мозга от 48 доноров тканей, 26 из которых умерли с диагнозом болезни Альцгеймера, а 22 — без него.

Таким образом, исследование дает уникально масштабный, всесторонний и в то же время подробный отчет о том, как активность клеток мозга различается при болезни Альцгеймера в зависимости от типа клеток, области мозга, патологии заболевания и когнитивной оценки каждого человека при жизни.

«При болезни Альцгеймера уязвимы определенные области мозга, и крайне важно понять, как именно уязвимы эти области или конкретные типы клеток», — говорит соавтор исследования Ли-Хуэй Цай, профессор нейронауки и директор Института Пикауэра по обучению и памяти и Инициативы по старению мозга при Массачусетском технологическом институте.

«И мозг — это не только нейроны. Это множество других типов клеток. То, как эти типы клеток могут реагировать по-разному в зависимости от того, где они находятся, — это нечто захватывающее, и мы только начинаем это изучать».

Соавтор исследования Манолис Келлис, профессор компьютерных наук и руководитель группы вычислительной биологии Массачусетского технологического института, сравнил метод, используемый для измерения сравнений экспрессии генов, профилирование РНК отдельных клеток, с гораздо более совершенным «микроскопом», чем те, которые впервые позволили Алоизу Альцгеймеру более века назад охарактеризовать патологию заболевания.

«Там, где Альцгеймер видел в свой микроскоп бляшки амилоидного белка и фосфорилированные клубки тау, наш одноклеточный «микроскоп» рассказывает нам, клетка за клеткой и ген за геном, о тысячах едва заметных, но важных биологических изменений в ответ на патологию», — сказал Келлис.

«Связывание этой информации с когнитивным состоянием пациентов показывает, как клеточные реакции связаны с когнитивной потерей или устойчивостью, и может помочь предложить новые способы лечения когнитивной потери. Патология может предшествовать когнитивным симптомам на десятилетие или два, прежде чем когнитивное снижение будет диагностировано. Если мы не можем ничего сделать с патологией на этой стадии, мы можем, по крайней мере, попытаться защитить клеточные пути, которые поддерживают когнитивную функцию».

Хансруеди Матис, бывший постдок Массачусетского технологического института в лаборатории Цая, ныне доцент Питтсбургского университета, Карлес Буа, бывший аспирант лаборатории Келлиса, ныне постдок Гарвардской медицинской школы, и Лейла Акай, аспирант лаборатории Цая, руководили исследованием, анализируя префронтальную кору, энторинальную кору , гиппокамп , передний таламус, угловую извилину и среднюю височную кору.

Образцы мозга были получены в ходе исследования религиозного порядка и проекта «Память и старение» в Университете Раша.

Нейронная уязвимость и Рилин
Некоторые из самых ранних признаков амилоидной патологии и потери нейронов при болезни Альцгеймера наблюдаются в областях, связанных с памятью, называемых гиппокампом и энторинальной корой. В этих областях и в других частях коры головного мозга исследователи смогли определить потенциальную причину.

Один тип возбуждающих нейронов в гиппокампе и четыре в энторинальной коре были значительно менее распространены у людей с болезнью Альцгеймера, чем у людей без нее.

Индивиды с истощением этих клеток показали значительно худшие результаты в когнитивных оценках. Более того, многие уязвимые нейроны были связаны в общую нейронную цепь. И, что не менее важно, некоторые из них либо напрямую экспрессировали белок под названием рилин, либо были напрямую затронуты сигнализацией рилина.

Таким образом, в целом полученные данные четко выделяют особенно уязвимые нейроны, потеря которых связана со снижением познавательной способности, и которые имеют общую нейронную цепь и молекулярный путь.

Цай отметил, что Рилин стал известен в исследовании болезни Альцгеймера благодаря недавнему исследованию мужчины в Колумбии. У него была редкая мутация в гене Рилина, которая сделала белок более активным, и он смог оставаться когнитивно здоровым в преклонном возрасте, несмотря на сильную семейную предрасположенность к раннему проявлению болезни Альцгеймера.

Новое исследование показывает, что потеря нейронов, продуцирующих рилин, связана с когнитивным снижением . В совокупности это может означать, что мозг получает пользу от рилина, но нейроны, которые его продуцируют, могут быть потеряны, по крайней мере, у некоторых пациентов с болезнью Альцгеймера.

«Мы можем считать, что рилин, возможно, имеет некий защитный или полезный эффект», — сказал Акай. «Но мы пока не знаем, что он делает или как он может придавать устойчивость».

В ходе дальнейшего анализа ученые также обнаружили, что особо уязвимые подтипы тормозных нейронов, выявленные в предыдущем исследовании этой группы в префронтальной коре, также участвуют в передаче сигналов рилина, что еще больше подтверждает значимость этой молекулы и ее сигнального пути.

Для дальнейшей проверки результатов команда напрямую исследовала образцы тканей человеческого мозга и мозг двух видов модельных мышей с болезнью Альцгеймера. Конечно же, эти эксперименты также показали снижение числа рилин-положительных нейронов в энторинальной коре человека и мыши.

Экспрессия гена GPCPD1 в астроцитарных клетках связана с когнитивной устойчивостью у людей с патологией болезни Альцгеймера. Здесь белые стрелки указывают на случаи экспрессии GPCPD1 (синего цвета) в астроцитарных клетках (обозначенных окрашиванием AQP4 в пурпурный цвет). Гораздо больше экспрессии в тканях когнитивно устойчивого человека (справа). Кредит: Tsai Lab/MIT PIcower Institute

Устойчивость, связанная с метаболизмом холина в астроцитах
Чтобы найти факторы, которые могут сохранить когнитивные способности даже в условиях патологии, группа ученых изучила, какие гены, в каких клетках и в каких регионах наиболее тесно связаны с когнитивной устойчивостью, которую они определили как остаточную когнитивную функцию, превышающую типичную потерю когнитивных способностей, ожидаемую с учетом наблюдаемой патологии.

Их анализ дал неожиданный и конкретный ответ: в нескольких регионах мозга астроциты, экспрессирующие гены, связанные с антиоксидантной активностью, метаболизмом холина и биосинтезом полиаминов, были в значительной степени связаны с устойчивым познанием, даже на фоне высоких уровней тау-белка и амилоида.

Результаты подтвердили выводы предыдущих исследований , проведенных под руководством Цая и Сьюзан Лундквист, в которых они показали, что диетическая добавка холина помогает астроцитам справляться с нарушением регуляции липидов, вызванным наиболее значимым геном риска болезни Альцгеймера — вариантом APOE4.

Результаты исследований антиоксидантов также указали на молекулу, которая может быть обнаружена в пищевой добавке, спермидине, которая может обладать противовоспалительными свойствами, хотя для установления причинно-следственной связи потребуются дополнительные исследования.

Как и прежде, команда вышла за рамки прогнозов анализа экспрессии РНК в отдельных клетках, чтобы провести прямые наблюдения в мозговой ткани образцов. Те, которые были получены от когнитивно устойчивых людей, действительно показали повышенную экспрессию нескольких генов, экспрессируемых астроцитами, которые, как прогнозируется, связаны с когнитивной устойчивостью.

Новый метод анализа, открытый набор данных
Для анализа огромных массивов данных об отдельных клетках исследователи разработали новую надежную методологию, основанную на группах координированно экспрессируемых генов (известных как «модули генов»), таким образом используя закономерности корреляции экспрессии между функционально связанными генами в одном и том же модуле.

«В принципе, 1,3 миллиона исследованных нами клеток могли бы использовать свои 20 000 генов в астрономическом количестве различных комбинаций», — объясняет Келлис. «Однако на практике мы наблюдаем гораздо меньший подмножество скоординированных изменений. Распознавание этих скоординированных моделей позволяет нам делать гораздо более надежные выводы об изменениях, поскольку они основаны на нескольких генах в одном и том же функционально связанном модуле».

Он предложил такую ​​аналогию: Имея в своем теле множество суставов, люди могли бы двигаться самыми разными безумными способами, но на практике они совершают гораздо меньше координированных движений, таких как ходьба, бег или танцы. Новый метод позволяет ученым идентифицировать такие координированные программы экспрессии генов как группу.

Хотя лаборатории Келлиса и Цая уже сообщили о нескольких примечательных результатах из набора данных, исследователи ожидают, что еще много потенциально значимых открытий еще ждут своего часа в этой сокровищнице данных. Чтобы облегчить такие открытия, команда разместила удобные аналитические и визуализирующие инструменты вместе с данными на веб-сайте Келлиса .

«Набор данных невероятно богат. Мы сосредоточились только на нескольких аспектах, которые являются существенными и которые, по нашему мнению, очень и очень интересны, но мы ни в коем случае не исчерпали то, что можно узнать с помощью этого набора данных», — сказал Келлис. «Мы ожидаем еще много открытий впереди и надеемся, что молодые исследователи (всех возрастов) сразу же окунутся в это и удивят нас еще большим количеством открытий».

По словам Келлиса, в дальнейшем исследователи изучают схемы управления, связанные с дифференциально экспрессируемыми генами , чтобы понять генетические варианты, регуляторы и другие движущие факторы, которые можно модулировать для обращения вспять схем заболевания в различных областях мозга , типах клеток и на разных стадиях заболевания.