Изменения экспрессии генов в нейронах и астроцитах сходны при шизофрении и старении

В естественных условиях экспрессия генов в тканях у разных людей сильно отличается. Это связано с разной генетикой, привычками, средой и т.д. В лаборатории эти отличия стараются нивелировать. Однако изучение такой естественной вариации в экспрессии генов может помочь лучше понять, как функционируют ткани в норме и в патологии в различных контекстах. Руководствуясь этим принципом, американские ученые исследовали экспрессию генов в нейронах и астроцитах людей разного возраста с шизофренией и без.

Исследователи выбрали в качестве объекта изучения дорсолатеральную префронтальную кору мозга (длПФК), которая отвечает за рабочую память, исполнительные функции, внимание и когнитивную гибкость. Они проанализировали посмертные образцы длПФК от 191 донора (возраст 22–97 лет), среди которых у 97 не было никаких известных психиатрических заболеваний, а у 94 была шизофрения. Все образцы генотипировали с помощью ДНК-микрочипов, чтобы выявить характерные SNP, а потом секвенировали РНК отдельных ядер (snRNA-seq) в группах по 20 образцов. По транскрибированным SNP ученые выявили, какие ядра принадлежали какому донору.

Всего исследователи проанализировали 1 217 965 ядер, которые принадлежали глутаматергическим нейронам (43%), ГАМКергическим нейронам (20%), астроцитам (15%), олигодендроцитам (12%), полидендроцитам (предшественникам олигодендроцитов, 5,5%), микроглие (3,6%) и эндотелиальным клеткам (1,3%). Как и ожидалось, экспрессия генов, специфичных для конкретного типа клеток, значительно варьировала от донора к донору. Ученые предположили, что такая вариация возникает на основе особых программ экспрессии генов, на которые влияет активность других клеток. Чтобы выявить такие взаимодействия, исследователи прибегли к латентному факторному анализу — методу машинного обучения, который позволяет выявить общие факторы из флуктуаций множества измерений. В результате ученые выявили десять латентных факторов (паттернов изменений экспрессии генов, которые постоянно встречаются вместе), которые вместе объясняли около трети естественной вариации экспрессии генов. При этом только один из этих факторов встречался у доноров с шизофренией, а также при старении.

Чтобы подробнее изучить функции этого паттерна, исследователи применили анализ обогащения по функциональной принадлежности (GSEA). Оказалось, что этот паттерн в норме был связан с повышенной экспрессией генов, обеспечивающих синаптические функции. В глутаматергических и ГАМКергических нейронах в этом паттерне участвовали гены, обеспечивающие «цикл жизни» синаптических везикул. К ним относились компоненты комплекса SNARE, которые обеспечивают слияние везикул с мембраной, и взаимодействующие с ними белки (STX1A, SNAP25, SYP), белки, выполняющие или регулирующие экзоцитоз везикул (SYT11, RAB3A, RPH3A), а также другие компоненты везикул (SV2A, SYN1). В глутамергических нейронах паттерн также способствовал повышенной экспрессии генов, кодирующих компоненты постсинаптической мембраны, в том числе сигнальные белки (PAK1, GSK3B, CAMK4), ионные каналы и рецепторы (CACNG8, KCNN2, CHRNB2, GRM2, GRIA3). В астроцитах тот же паттерн способствовал экспрессии генов, продукты которых участвуют в биосинтезе жирных кислот и холестерина, составляющих основу синаптических мембран. При шизофрении или старении экспрессия генов, входящих в этот паттерн, снижалась и в нейронах, и в астроцитах.

Выявленный паттерн ученые назвали «синаптической программой нейронов и астроцитов» (Synaptic Neuron and Astrocyte Program, SNAP). Они дополнительно проанализировали данные секвенирования РНК 179 764 астроцитов и 75 929 глутаматергических нейронов, чтобы выявить специфические паттерны экспрессии генов, характерных для этих клеток по отдельности, — SNAP-a и SNAP-n. Как и для SNAP в целом, экспрессия SNAP-a и SNAP-n была ассоциирована со старением и с шизофренией. Однако само по себе наличие этих паттернов не позволяло судить о том, вызывают ли они заболевание или, наоборот, являются следствием.

Дополнительный анализ показал, что экспрессия SNAP никак не коррелировала с использованием донорами антипсихотиков или статинов, то есть на экспрессию генов в этой программе не влиял прием лекарственных препаратов. Однако все равно остается вероятность, что астроциты могут реагировать на гипофункцию нейронов, а не способствовать ей.

Исследователи также заинтересовались тем, включают ли программы SNAP-a и SNAP-n в себя гены, которые ассоциированы с шизофренией. Согласно предыдущим исследованиям, в шизофрении задействованы в основном гены, экспрессируемые нейронами, а не глией. Сейчас же ученые показали, что гены, входящие в SNAP-a, были ассоциированы с шизофренией. Такие гены в 14 раз чаще, чем любые другие белоккодирующие гены, находились в геномных локусах, вариация в которых была ассоциирована с шизофренией.

Эту находку ученые проиллюстрировали на примере двух генов — нейрексина 1 (NRXN1) и компонента системы комплемента 4 (C4). Риск шизофрении повышается при экзонных делециях в NRXN1. Согласно данным нового исследования, экспрессия NRXN1 была снижена в астроцитах, но не в нейронах у людей с шизофренией и у людей старше 70 лет. Экспрессия этого гена также входила в программу SNAP-a. В случае с C4 риск шизофрении повышается при росте числа копий гена, но также известно, что у экспрессии C4 есть и другие, динамические и пока не до конца известные эффекты. Новое исследование показало, что экспрессия C4 происходит преимущественно в астроцитах, а не в нейронах и микроглии. Если у людей понижалась экспрессия генов SNAP-a, что встречалось при шизофрении и старении, то у таких людей также повышалась экспрессия C4.

Таким образом, ученые выявили вклад астроцитов в экспрессию генов, ассоциированных со старением и шизофренией. Программа SNAP также подчеркнула сходство двух этих состояний, что может указывать на общие клеточные и молекулярные изменения, вызывающие их. При этом ученые отметили, что SNAP удалось выявить только благодаря исследованию естественной вариации между донорами, хотя обычно в лабораторных экспериментах ее стараются всячески устранить. Однако учитывать ее тоже важно, чтобы выявить программы регуляции активности клеток и взаимодействия между ними. Это может позволить взглянуть на патофизиологические процессы в мозге с новой стороны.

Система комплемента в мозге — потенциальная мишень для терапии шизофрении