Специфичный для человека энхансер отличает болезнь Пика от болезни Альцгеймера

Понимание того, как при разных нейродегенерациях нарушается работа клеток мозга, остается одной из самых трудных задач современной биомедицины. Болезнь Альцгеймера (БА) изучена достаточно глубоко — десятки консорциумов картируют активность микроглии, сигнальные сети и генетические риски. Болезнь Пика (БП) — редкая фронтотемпоральная деменция (FTD), при которой патологический тау-белок формирует характерные скопления — тельца Пика. Симптомы прогрессируют стремительно и тяжело, но из-за редкости случаи БП почти не попадают в масштабные проекты, и молекулярный ландшафт болезни остается слабо охарактеризованным.

Чтобы восполнить этот пробел, исследователи из США картировали регуляцию генов на уровне отдельных ядер клеток мозга и сравнили эти данные между БП, БА и здоровыми людьми. Мультиомиксный анализ охватывал хроматин, транскрипцию, регуляторные связи и факторы транскрипции. Отдельное внимание авторы уделили тому, какие регуляторные элементы (особенно дистальные энхансеры) действительно влияют на активность генов, и как именно изменяются сигнальные пути в разных типах клеток.

Ученые проанализировали единичные ядра с помощью ATAC-seq и секвенирования РНК (snRNA-seq). Для анализа они взяли образцы префронтальной коры людей с БП и контрольных доноров, а затем сопоставили эти данные с ранее собранным аналогичным набором для БА. После фильтрации авторы получили десятки тысяч ядер для каждого метода, выделили основные типы клеток мозга и подтвердили их по маркерным генам. Это позволило сравнить изменения в нейронах, микроглии, астроцитах и олигодендроцитах.
Сначала исследователи собрали единый набор из более чем 600 тысяч пиков открытого хроматина и обнаружили, что распределение пиков по промоторам, интронам и дистальным элементам при БП и БА очень похоже, что говорит о стабильности базовой организации регуляторных элементов. С помощью анализа совместной доступности хроматина они сопоставили дистальные регуляторные элементы с их потенциальными мишенями. Это позволило выделить модули регуляции, характерные для конкретных клеточных функций: синаптических процессов в нейронах, пролиферации в олигодендроцитах, фагоцитоза в микроглии.

Затем ученые интегрировали эти данные с результатами полногеномного поиска ассоциаций (GWAS) для БА и форм FTD. Оказалось, что большая часть однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), связанных с риском БА, попадает в открытый хроматин микроглии, подтверждая ее ключевую роль в патогенезе. Но такие гены, как ADAM10, BIN1, PICALM и SORL1 оказались эпигенетически затронуты и в нейронах, и в клетках глии. Авторы нашли несколько FTD-ассоциированных локусов, также экспрессия которых меняется и при БП — это позволяет предположить, что часть генетики FTD может быть релевантна и для болезни Пика.

Следующим этапом стал анализ транскрипционных факторов (ТФ), для оценки связаывания которых с ДНК авторы применили футпринтинг. При БП наблюдалось падение активности множества ТФ в нейронах — гораздо более выраженное, чем при БА, — хотя отдельные факторы транскрипции, наоборот, активировались. При этом часть выявленных изменений была общей для обеих болезней (например, активация RORA, фактора, участвующего в метаболизме липидов). Некоторые ТФ, например, ассоциированный с апоптозом JDP2, напротив, усиленно связывались с ДНК только при БА. Авторы заключили, что болезнь Пика отличается от болезни Альцгеймера не просто набором задействованных генов, а принципиальной архитектурой регуляторных сетей.

Одним из генов, отличавших БП от БА, оказался UBE3A, который снижался только при первом из двух заболеваний. Он кодирует E3 убиквитинлигазу. Авторы обнаружили связанный с ним энхансер, приобретенный человеком в ходе эволюции. Он оказался дистальным регулятором, будучи расположен более чем в 40–80 кб от UBE3A. При БП доступность этого энхансера повышалась, что парадоксально сопровождалось снижением экспрессии UBE3A — это похоже на компенсаторный регуляторный ответ.

Чтобы проверить, действительно ли эта область функционирует как энхансер, авторы вырезали ее с помощью CRISPR-Cas9 из генома нейронов, полученных из ИПСК. В таких клетках экспрессия UBE3A значительно снизилась, что подтвердило регуляторную роль этого участка. Более того, RNA-seq анализ отредактированных нейронов выявил изменения в убиквитинировании, метаболизме и организации хроматина, подчеркивая чувствительность нейронов к потере функции UBE3A.

Анализ тканей мозга подтвердил, что UBE3A в префронтальной коре пациентов с БП снижен на уровне белка и мРНК, но доступность его энхансера повышена. Тот же парадоксальный паттерн был выявлен при анализе единичных нейронов, что говорит о системной, а не локальной дисрегуляции.

В целом полученная карта демонстрирует, что у БП и БА есть общие процессы патогенеза — синаптические нарушения, стрессовые реакции, изменения в активности глии. Однако болезнь Пика сильнее поражает нейронально-олигодендроцитарную ось, а болезнь Альцгеймера — микроглиальную. И эти различия выражаются не столько в самих генах, сколько в их регуляции: работе транскрипционных факторов, активности энхансеров и архитектуре хроматина.

Болезнь Альцгеймера сопровождается рассинхронизацией нервной и сосудистой систем