Сенесцентные нейроны участвуют в патогенезе болезни Альцгеймера

Нейроны — это терминально дифференцированные клетки, которые вышли из клеточного цикла и находятся в фазе покоя (фаза G0). Однако известно, что при старении некоторые нейроны могут повторно войти в клеточный цикл: в таких клетках вновь начинают экспрессироваться регулирующие его белки и варьируется число копий генов. Судьба нейронов, которые повторно вошли в клеточный цикл, оставалась до сих пор неясной: некоторые исследования демонстрировали, что такие клетки быстро погибают в ходе апоптоза, а другие указывали на их переход в сенесценцию. Изучение этих нейронов оказалось затруднено из-за того, что они появлялись в случайных участках мозга и в ограниченных количествах. Теперь китайские ученые представили биоинформатический алгоритм для выявления и анализа нейронов, повторно вошедших в клеточный цикл.

Чтобы идентифицировать и охарактеризовать нейроны, повторно вошедшие в клеточный цикл, ученые проанализировали данные секвенирования РНК отдельных ядер 24 образцов префронтальной коры мозга, полученных от людей без деменции. Всего анализу подверглось 34 140 отдельных ядер, из которых 32 685 принадлежали терминально дифференцированным клеткам. Исследователи анализировали в них уровни экспрессии 357 генов, связанных с регуляцией клеточного цикла, а также вариации числа копий генов. В результате они выявили популяцию нейронов, повторно вошедших в клеточный цикл, и использовали тот же алгоритм, чтобы найти такие нейроны в образцах пациентов с болезнями Альцгеймера и Паркинсона, а также в мышиной модели старения.

Из всех типов терминально дифференцированных клеток повторно в клеточный цикл входили только возбуждающие нейроны. В них снова начиналась экспрессия генов, характерных для S-фазы и последующих фаз клеточного цикла. Кроме того, в таких клетках варьировалось число копий генов, преимущественно лежащих на хромосомах 19 и 22, что ученые связали с пространственной организацией генетического материала в ядрах — скорее всего, эта ДНК была более доступна для ДНК-полимераз. Среди дифференциально экспрессированных генов в таких нейронах выделялись участники репарации ДНК, клеточного цикла, митогенеза и метаболизма (включая окислительное фосфорилирование и гомеостаз холестерина).

Фенотипически нейроны, повторно вошедшие в клеточный цикл, были похожи на сенесцентные клетки. В них была понижена экспрессия компонентов коллагена, они активно секретировали факторы роста (VEGF, FGF) и регуляторные факторы (IGFBP2, IGFBP6, IGFBP3). Их экспрессия приводила к гипермитогенной остановке цикла, которая характерна для сенесцентных клеток, и к приобретению антиапоптотического фенотипа. При этом исследователи смогли выявить как ранние, так и поздние сенесцентные нейроны.

Так как старение — один из факторов риска для болезни Альцгеймера, ученые задались вопросом, какой вклад в патогенез вносят сенесцентные нейроны. С помощью того же биоинформатического алгоритма исследователи проанализировали 123 212 ядра возбуждающих нейронов из 94 образцов. Среди них 73 347 ядра были получены от людей без деменции, а 49 865 — от людей с болезнью Альцгеймера. Анализ показал, что в поздних сенесцентных нейронах повышен уровень экспрессии ряда генов, ассоциированных с риском развития болезни Альцгеймера. К их числу относятся NYAP1 и CLU, которые способствуют развитию таупатии и амилоидогенезу, соответственно, а также гены, участвующие в образовании амилоида и его фрагментов (APP, APLP1, APLP2, BACE1). В сенесцентных нейронах также была повышена экспрессия MAPT и APOE, что может приводить к дисфункции митохондрий и накоплению бета-амилоида в кортикальных синапсах. Все это указывает на то, что сенесцентные нейроны могут участвовать в развитии болезни Альцгеймера.

Исследователи также отметили, что у здоровых людей число сенесцентных нейронов хорошо регулировалось, в то время как у пациентов с болезнью Альцгеймера такие клетки накапливались. В то же время сенесцентные нейроны людей с болезнью Альцгеймера отличались от тех же клеток у людей без деменции. Ранние сенесцентные нейроны при болезни Альцгеймера по профилю экспрессии генов были больше похожи на поздние сенесцентные нейроны людей без деменции. А поздние сенесцентные нейроны при болезни Альцгеймера были сами по себе атипичны. При болезни Альцгеймера в сенесцентных нейронах повышалась экспрессия генов, способствующих образованию бляшек и нарушению памяти.

Нейроны, повторно вошедшие в клеточный цикл, удалось найти и при болезни Паркинсона среди дофаминергических нейронов среднего мозга и полосатого тела. В ранних сенесцентных нейронах при этом заболевании нарушались функции дофаминергических синапсов, отмечались гиперактивность митохондрий, признаки клеточного старения, вызванного стрессом, а также токсических эффектов железа.

Ученые также показали, что их подход можно использовать и для поиска сенесцентных нейронов в мышиных моделях старения. У мышей встречалось 70% дифференциально экспрессированных генов, характерных для человеческих сенесцентных нейронов. В таких мышиных нейронах была нарушена регуляция синапсов и аксоногенез, отмечались изменения метаболизма. С помощью гистологии ученые также подтвердили природу сенесцентных нейронов: у них выявлялись и маркер сенесценции β-галактозидаза, и маркер зрелых нейронов NeuN. Также в этих клетках удалось найти PCNA — маркер S-фазы, и накопленный циклин B — маркер G2/M-фазы клеточного цикла. Это подтвердило, что нейроны, повторно вошедшие в клеточный цикл, впоследствии переходят напрямую в сенесценцию.

Стареющие клетки способствуют дифференцировке опухолевых клеток в нейроэндокринные