Раскрыты молекулярные механизмы гибели нейронов при лобно-височной деменции

Американские ученые провели исследование, которое помогло обнаружить изменения в нейронах, предшествующие их дегенерации при лобно-височной деменции. ЛВД — гетерогенная группа нейродегенеративных заболеваний, которая ведет к изменениям в поведении, затруднениям мышления и речи и в конце концов к летальному исходу. На данный момент методы терапии ЛВД не разработаны.

Одна из проблем изучения ЛВД заключается в том, что симптомы проявляются после того, как уже возникли значительные повреждения головного мозга. Поэтому так важно выявить изменения на клеточном и молекулярном уровне, которые предшествуют дегенерации.

Для исследования ученые выбрали вариант ЛВД, который сопровождается накоплением мутированного тау-белка в нейронах и глии, как при болезни Альцгеймера и многих других деменциях. Авторы использовали человеческие индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) с мутацией в гене MAPT. Она приводит к замене V337M в тау-белке, патологической агрегации этого белка и в итоге заканчивается гибелью специфического класса нейронов, особенно уязвимых при ЛВД, — кортикальных глутаматергических возбуждающих нейронов.

Из ИПСК, полученных от трех доноров с мутацией в гене MAPT, авторы работы вырастили множество миниатюрных церебральных органоидов — трехмерных моделей, которые имитируют ранний рост и развитие коры головного мозга. В качестве контроля использовали органоиды из ИПСК, которые не несли мутации: с помощью технологии CRISPR в них заменили участок ДНК с мутацией на «здоровый».

Динамика развития органоидов с мутантной и нормальной версиями гена существенно различалась. Клетки с мутированным тау-белком спустя два месяца начинали развиваться намного быстрее, чем контрольные органоиды. Со временем различия накапливались, что было подтверждено данными иммуногистохимии и РНК-секвенирования единичных клеток. К четырем месяцам скорость выравнивалась, а к шести месяцам мутантные органоиды замедляли развитие.

Наиболее заметно различалось развитие глутаматергических нейронов. Пока нейроны контрольных органоидов оставались в «младенческой» стадии, клетки с мутацией в тау-белке уже начинали стремиться к гибели.

Ту же динамику продемонстрировала экспрессия гена MAPT: наблюдаемое в два месяца повышенное количество его мРНК уменьшалось к шести месяцам. В два месяца также повышалась экспрессия гена ELAVL4 (он кодирует РНК-связывающий белок, важный для развития нейронов), в клетках появлялись признаки окислительного стресса. Через четыре месяца наблюдались изменения сплайсинга мРНК, нарушения аутофагии (утилизации старых поврежденных белков), накопление тау-белка.

К шести месяцам мутантные органоиды начинали терять глутаматергические нейроны. Очевидно, раннее созревание нейронов заставляло их синаптические сигнальные пути начинать работу раньше и интенсивнее, что и приводило к быстрому «выгоранию».

Таким образом единственная мутация запускает порочный круг в глутаматергических нейронах: ускоряется наработка новых белков, но и старые белки, которые должны быть заменены, остаются на месте. Это способствует накоплению тау-белка, а также увеличению количества глутаматергических рецепторов на мембране.

Анализ транскриптома подтвердил повышенное количество компонентов глутаматергического сигнального пути в мутантных клетках. Поэтому исследовательская группа предположила, что гибель нейронов может быть вызвана токсичными количествами глутамата. И в самом деле, длительное культивирование клеток с нормальным вариантом гена в среде с повышенным содержанием глутамата привело к гибели нейронов. Мутантные клетки оказались еще более чувствительными.

После этого ученые культивировали мутантные клетки в присутствии апилимода — ингибитора киназы PIKFYV, которая участвует в возвращении рецепторов глутамата на постсинаптическую мембрану. Ингибитор предотвращал гибель нейронов из-за отравления глутаматом, и это один из наиболее важных результатов исследования. Возможно, полученные данные помогут разработать терапию для лечения ЛДВ.