Транскриптомный и эпигеномный анализ болезни Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера — дегенеративное заболевание головного мозга, которое не имеет эффективного лечения. Многие подходы к разработке новой терапии этого заболевания направлены на амилоидные бляшки, которые образуются в мозге пациентов. Группа исследователей из США решила выявить новые потенциальные терапевтические подходы с помощью анализа молекулярно-генетических паттернов заболевания. Результаты опубликованы в серии статей Cell.

В первой статье исследователи с помощью РНК-секвенирования одиночных клеток создали транскриптомный атлас 2,3 млн клеток префронтальной коры головного мозга из посмертных образцов 427 человек с различной степенью прогрессии болезни Альцгеймера. Анализ изменений экспрессии белковых комплексов при прогрессировании болезни Альцгеймера выявил усиление комплекса когезина и клеточного ответа на повреждения ДНК в возбуждающих нейронах и в олигодендроцитах. Высокая экспрессия когезинового комплекса сопровождалась высокой экспрессией факторов ответа на повреждение ДНК. В возбуждающих нейронах экспрессия комплекса когезина положительно коррелировала с экспрессией регуляторов хроматина. Исследователи выявили гены, ассоциированные с когнитивной функцией: CACNG3, PAK1, NPTX2, RPH3A, SVOP и BDNF. Еще одним геном, связанным с когнитивной функцией, стал VGF, который регулируется BDNF. Ранее на мышиных моделях болезни Альцгеймера было показано, что VGF уменьшает амилоидные бляшки и снижает связанную с заболеванием активацию микроглии.

У людей с болезнью Альцгеймера был нарушен генетический путь, связанный с метаболизмом липидов. Также у людей, сохранявших когнитивные способности при накоплении тау-белка, выделили два подтипа тормозных нейронов в префронтальной коре. У людей с деменцией, по-видимому, эти клетки более подвержены нейродегенерации и гибели.

Анализ дифференциальной экспрессии выявил изменения в экспрессии генов, связанные с болезнью Альцгеймера. Некоторые из этих изменений, в том числе повышенная экспрессия генов, участвующих в синаптическом сигналинге, могут представлять собой попытку клеток восстановить нарушенный гомеостаз. Другие изменения, включая снижение экспрессии генов электрон-транспортной цепи и генов, кодирующих митохондриальные рибосомальные белки и аминоацил-тРНК-синтетазы, могут способствовать клеточной дисфункции при болезни Альцгеймера. Снижение экспрессии белковых комплексов межмембранного пространства митохондрий может нарушать архитектуру внутренней мембраны митохондрий и способствовать развитию митохондриальной дисфункции при болезни Альцгеймера.

Во второй работе исследователи сфокусировались на изучении эпигеномного ландшафта при болезни Альцгеймера. С помощью метода ATAC-секвенирования они провели профилирование 850 000 ядер из префронтальной коры 92 человек: 48 здоровых, 29 с болезнью Альцгеймера на ранней стадии и 15 с болезнью Альцгеймера на поздней стадии. Объединив эти данные с данными РНК-секвенирования одиночных клеток, исследователи связали информацию об уровне экспрессии гена с данными о том, насколько этот ген транскрипционно доступен. Авторы показали, что в одних и тех же типах клеток происходит дерегуляция эпигенома и транскриптома по сходным путям. Помимо локальных эпигеномных изменений, которые в основном происходят на ранней стадии болезни Альцгеймера, была выявлена глобальная дерегуляция эпигенома у пациентов с поздней стадией болезни Альцгеймера. Этот тип дерегуляции эпигенома характеризуется тем, что подавленные участки хроматина становятся более доступными, а участки открытого хроматина — менее доступными.

В третьей работе авторы изучили микроглию. Клетки микроглии выполняют защитную функцию и играют важную роль в формировании и поддержании контактов между нейронами. В результате было аннотировано 12 транскрипционных состояний микроглии, включая гомеостатическое и воспалительное, а также состояние, связанное с переработкой липидов.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что все разнообразие транскрипционных состояний микроглии, зафиксированное с помощью РНК-секвенирования, не полностью представлено состояниями эпигенома, определенными с помощью ATAC-секвенирования. Это позволяет предположить, что в микроглии сохраняется относительно открытый хроматиновый ландшафт, который необходим для динамических переходов состояний в ответ на изменения микроокружения. Также полученные в ходе работы данные подтверждают, что воспаление и липидный обмен — тесно связанные процессы, которые в значительной степени вовлечены в патогенез болезни Альцгеймера. Воспалительные процессы предшествуют липидной регуляции в микроглии в ходе прогрессирования заболевания.

В четвертой работе авторы изучили, какую роль повреждения ДНК играют в развитии болезни Альцгеймера. Двухцепочечные разрывы ДНК в нейронах являются ранним признаком нейродегенеративных заболеваний, включая болезнь Альцгеймера; они способны привести к нарушению целостности генома. Авторы показали, что двухцепочечные разрывы ДНК приводят к мозаичным структурным изменениям генома и нарушению трехмерной организации генома в нейронах. Исследователи наблюдали усиление мозаичных слияний генов в возбуждающих нейронах, имеющих повышенную экспрессию когезина и повреждения ДНК. Эти данные связывают целостность генома нейронов и трехмерную организацию генома с клеточными патологиями, лежащими в основе болезни Альцгеймера. Повышение способности нейронов к репарации ДНК — потенциально эффективный путь для замедления прогрессирования болезни Альцгеймера.

Интервальное голодание снижает тяжесть протекания болезни Альцгеймера у мышей