Карта во времени: отслеживание болезни Хантингтона с рождения в мозге

Новое исследование на мышиных моделях показывает, как болезнь Хантингтона (БГ) со временем нарушает развитие мозга, даже задолго до появления симптомов. Используя передовые инструменты секвенирования и пространственную транскриптомику, метод, который отображает, где в мозге активируются гены, исследователи обнаружили ранние предупреждающие признаки, которые могут помочь объяснить, почему некоторые клетки мозга более уязвимы, чем другие при БГ.

Почему это важно

Мы знаем, что БГ вызвана повторением генетических букв, которые составляют C-A-G в гене хантингтина. У людей, у которых не разовьется БГ, 35 или меньше CAG, тогда как у людей, у которых разовьется БГ, 36 или больше.

И хотя каждая клетка несет эту генетическую ошибку, определенные клетки мозга страдают гораздо сильнее, что приводит к их ранней гибели. Что мы до сих пор не до конца понимаем, так это почему эти клетки более уязвимы, или что может происходить незаметно в мозге задолго до появления симптомов, чтобы сделать их более уязвимыми.

В новом исследовании, проведенном доктором Лесли Томпсон и доктором Марой Бернс из Калифорнийского университета в Ирвайне, команда углубилась в эту тайну. Они использовали мощную комбинацию методов, называемых «пространственная транскриптомика» и «секвенирование отдельных клеток».

Пространственная транскриптомика звучит причудливо (и это так!), но ее название дает нам подсказки о том, что она делает. Она пространственно отображает транскрипты, или короткие генетические сообщения, созданные из ДНК до того, как они превратятся в белок, на образце мозга. Таким образом, ее можно использовать для отображения генетических сообщений на изображении мозга. Исследователи использовали этот метод для отображения изменений на протяжении жизни мышей, моделирующих БГ.

Секвенирование отдельных клеток рассматривает генетические сообщения внутри образца в каждой отдельной клетке. Оба этих метода дают множество данных и помогают создать подробную карту того, что происходит внутри мозга из-за БГ.

Интересно, что они обнаружили некоторые сюрпризы! Их работа предполагает, что изменения в активности генов начинаются с рождения и развиваются специфическим для типа клеток и региона образом, особенно затрагивая стриатум (центральную область мозга, которая контролирует движение, мотивацию и эмоции) и кору (внешнюю морщинистую часть, которая контролирует такие вещи, как восприятие, движение и планирование). Эти две области мозга сильно страдают от БГ. Зная больше о том, когда и как происходят изменения в этих областях мозга, мы можем понять тайну избирательной уязвимости при БГ.

Уязвимые зоны мозга при БГ: стриатум и кора

Мы знаем, что БГ не влияет на все клетки мозга одинаково. Некоторые типы клеток, такие как клетки глии, которые поддерживают нейроны, не так уязвимы к смерти, как нейроны.

Но даже сами нейроны избирательно уязвимы. Некоторые типы особенно уязвимы к смерти, в то время как другие остаются на удивление устойчивыми, даже на поздних стадиях. Среди наиболее пострадавших — средние шипиковые нейроны (MSN), которые составляют основную часть стриатума — области мозга, имеющей центральное значение для координации движений, мотивации и обучения.

MSN являются критически важными «ретрансляционными станциями» в схеме мозга, передавая сигналы дофамина и точно настраивая моторный контроль. При БГ эти нейроны одними из первых демонстрируют измененную функцию и в конечном итоге умирают. Новое исследование показывает, что даже у новорожденных мышей с БГ MSN начинают проявлять аномальную активацию генов, включая повышенные уровни генов идентичности, таких как Drd1 и Tac1, которые позже снижаются. Это говорит о том, что клетки могут «перекомпенсировать» на ранней стадии, прежде чем потерпеть крах.

Между тем, в коре, другой области мозга, которая управляет высшим мышлением и принятием решений, исследователи обнаружили снижение экспрессии Tcf4, ключевого генетического узла, важного для развития нейронов. Эти кортикальные изменения начинаются рано и сохраняются на протяжении прогрессирования заболевания, намекая на то, что БГ может также тонко нарушать созревание коры.

Новая эра картирования мозга

До недавнего времени, если мы хотели узнать, какие гены активируются по-разному при БГ, большинство исследований полагались на метод, называемый «массовое секвенирование РНК». Этот метод является мощным, но у него есть большой недостаток: чтобы измерить, какие гены включены, ученые сначала должны измельчить ткань мозга. Это означает, что генетические сообщения от всех типов клеток в образце — уязвимых и устойчивых нейронов, глии и даже клеток из кровеносных сосудов — смешиваются вместе.

Массовое секвенирование РНК немного похоже на запись всех разговоров в городе, запись их одновременно и смешивание их в одну звуковую дорожку. Вы услышите общий шум, но не сможете сказать, исходит ли он от учителя в классе, уличного музыканта на улице или ребенка на игровой площадке. Чтобы обойти это, исследователи в этом исследовании использовали два новых подхода:

• Пространственная транскриптомика: Этот метод является большим шагом вперед, потому что он измеряет активность генов, сохраняя при этом срезы ткани неповрежденными. Это похоже на съемку мозга с высоты птичьего полета с цветными пятнами, показывающими, какие районы «громкие» или «тихие» в своей генетической активности. Разрешение не захватывает сигналы от каждой отдельной клетки, но может от групп из десятков клеток. Критически важно, что он сохраняет информацию о «где», которую стирают массовые методы.
• Секвенирование РНК отдельных ядер (aka, snRNA-seq): Здесь ученые приближаются гораздо ближе. Вместо работы с целыми срезами мозга они изолируют отдельные клетки и считывают их генетическую активность одну за другой. Это показывает, кто говорит в городе мозга — нейроны, астроциты, микроглия или олигодендроциты — и что говорит каждый тип клеток. Но недостатком является то, что этот метод теряет пространственный контекст: вы знаете, кто говорит, но не знаете, где они находятся в городе.

Объединив эти два метода на временной шкале жизни мыши с БГ, команда получила лучшее из обоих миров: «где» от пространственной транскриптомики и «кто» от секвенирования отдельных клеток. Это позволило им построить пространственную карту того, как разворачивается БГ во времени. С ее помощью они связали изменения генов с конкретными типами клеток и областями мозга на трех этапах: рождение, ранние симптомы и позднее заболевание. Этот подход предлагает больше нюансов, чем предыдущие методы, и открывает новые возможности для понимания сложных заболеваний, таких как БГ.

Основные выводы

• Реорганизация с самого начала: Даже при рождении у мышей с БГ уже наблюдается измененная активность генов. В стриатуме были нарушены митохондриальные гены (контролирующие производство энергии). В коре был снижен ген под названием Tcf4, имеющий решающее значение для развития мозга. Это может повлиять на то, как кортикальные нейроны организуются и соединяются.
• Изменения с течением времени: MSN показали раннее увеличение генов идентичности, которые помогают определить этот конкретный тип нейронов. Со временем эта тенденция, кажется, меняется, и уровни генов идентичности снижаются. Исследователи выявили другие изменения, которые могут способствовать нарушению работы MSN, такие как митохондриальный дефицит, по-видимому, возникающий в стриатуме до явного начала симптомов и распространяющийся на другие области мозга.
• Нарушение связи: Изучая пути передачи сигналов между клетками, команда обнаружила зависящие от времени изменения в передаче сигналов нейропептида Y (NPY), которые могут быть вовлечены в балансировку использования энергии и здоровья нейронов.

Взгляд в будущее: новые пути для понимания и вмешательства

Это исследование не просто предоставляет снимок мозга с БГ, оно предлагает покадровую карту того, как все меняется по мере прогрессирования БГ. Объединяя пространственные и одноклеточные данные, оно показывает раннее влияние Хантингтона, возможно, начинающееся уже при рождении и медленно нарастающее с течением времени.

Важно отметить, однако, что даже изменения, выявленные при рождении, не означают, что мозг не может компенсировать. Очевидно, что может! Люди с геном БГ обычно живут совершенно здоровой жизнью в течение десятилетий. Что это может означать, так это то, что эти ранние, тонкие изменения могут подготавливать эти клетки к чувствительности в дальнейшем, что делает их более уязвимыми к смерти. Поэтому, хотя они могут предотвратить молекулярные оскорбления на протяжении этих десятилетий, со временем этого становится слишком много.

Эти идеи предлагают несколько выводов для сообщества БГ:

• Терапевтическое время: Если ранние изменения генов способствуют уязвимости, лечение, направленное на стабилизацию развития мозга, может быть ценным, даже до появления симптомов.
• Целенаправленные стратегии: Понимание того, какие клетки изменяются первыми и как, может помочь разработать более точные методы лечения. Некоторые изменения могут начинаться рано, но уравновешиваются собственными механизмами компенсации мозга. Изучение этих естественных защитных механизмов может выявить новые способы борьбы с самого начала.
• Разработка биомаркеров: Такие закономерности, как митохондриальный стресс или снижение регуляции Tcf4, могут однажды помочь более точно определить начало заболевания.

Самое главное, эта работа подчеркивает растущую важность инструментов картирования мозга с большими данными, помогая исследователям выйти за рамки массовых средних значений, чтобы по-настоящему понять, что происходит в отдельных клетках, в реальной ткани, с течением времени. Хотя это исследование было проведено на мышиной модели, оно закладывает важную основу для понимания самых ранних молекулярных ряби БГ в мозге человека и того, как мы могли бы однажды вмешаться до того, как карта изменится.

Краткое изложение

• Передовые инструменты картирования: Объединение пространственной транскриптомики и секвенирования отдельных клеток показывает, где и какие клетки изменяются при БГ.
• Раннее начало: Изменения активности генов начинаются с рождения у мышей с БГ, особенно в стриатуме и коре, наиболее пораженных областях мозга.
• Динамические сдвиги с течением времени: Нейроны в уязвимых областях показывают раннюю сверхактивацию генов идентичности, которая позже снижается по мере прогрессирования заболевания.
• Нарушения энергии и связи: Нарушаются митохондриальные пути и пути передачи сигналов нейропептидов, что влияет на здоровье нейронов.
• План раннего вмешательства: Эти результаты подчеркивают, что тонкие изменения в раннем возрасте могут формировать более позднюю уязвимость, направляя будущие стратегии профилактики и терапии.

Подробнее

Оригинальная исследовательская статья, “Distinct molecular patterns in R6/2 HD mouse brain: Insights from spatiotemporal transcriptomics” (открытый доступ).