7 Minutės
Mokslininkai iš McGill universiteto ir Douglas instituto sukūrė išsamų genų aktyvumo žemėlapį atskirų smegenų ląstelių lygmenyje ir identifikavo du ląstelių tipus, kurių funkcija pakitusi asmenims, sergantiems depresija. Naudodami po mirties paimtą audinį ir pažangias vienaląsčių ląstelių genomikos bei chromatino prieinamumo technologijas, tyrėjų komanda aptiko nuoseklius skirtumus genų raiškoje ir chromatino reguliavime tam tikrų eksitacinių neuronų klasėje bei mikroglijos potipiuose. Tyrimo duomenys rodo, kad tam tikri neuronai ir mikroglijos veikia kitaip sergančiųjų depresija smegenyse, keisdami emocijų ir streso valdymui svarbias smegenų sistemas. Šis atradimas gali vesti prie precizinių gydymo strategijų, nukreiptų į depresijos ląstelines priežastis ir mechanizmus. Credit: Shutterstock
Methods and dataset
Tyrimas, publikuotas Nature Genetics ir vadovaujamas Anjali Chawla bei Gustavo Turecki, taikė vienanuklearinį (single-nucleus) chromatino prieinamumo profilavimą kartu su RNR analizėmis tūkstančiams atskirų smegenų ląstelių. Audiniai buvo gauti iš Douglas-Bell Canada Brain Bank — unikalios kolekcijos, kuri apima donorystę iš asmenų su psichikos sutrikimais, įskaitant žmones, kuriems anksčiau diagnozuota didelė depresija (Major Depressive Disorder, MDD). Tyrėjai palygino mėginius iš 59 asmenų, kuriems buvo diagnozuota depresija, ir 41 kontrolinės grupės dalyvio, siekdami susieti ląstelės tipo specifinius transkripcinius pokyčius su DNR reguliavimo mechanizmais.
Konkrečiai, studija naudojo išplėstines vienaląsčių genomikos technologijas: snRNA-seq (vienanuklei RNR sekvenavimui) kartu su snATAC-seq (vienanuklei chromatino prieinamumo analizė). Šis multimodalias požiūris leido identifikuoti (1) kurių genų raiška skiriasi tarp depresuotų ir ne depresuotų smegenų, ir (2) kurių reguliuojamų DNR sričių — t. y. enhancerių, promotorų ar kitų chromatino prieinamumo vietų — pokyčiai galėtų paaiškinti šiuos raiškos skirtumus. Duomenų kokybė buvo užtikrinta atliekant griežtą kokybės kontrolę (QC), pašalinant dvigubas branduolių sekų priemaišas, koreguojant partijų (batch) efektus ir integruojant skirtingų donorų profilius su šiuolaikiniais bioinformatikos įrankiais.
Analizė apėmė ląstelių klasterizavimą, diferencinės raiškos identifikavimą, chromatino prieinamumo pikų susiejimą su genų ekspresija ir genetinių variantų (pvz., GWAS rezultatų) koreliacijų tyrimą. Tokios integruotos priemonės leidžia tiksliau nustatyti funkcinius variantus ir konkrečias ląstelių populiacijas, kuriuose šios biologinės įtakos pasireiškia — tai svarbus žingsnis ieškant mechaninių ryšių tarp genetikos, epigenetikos ir ląstelinei funkcijai priskiriamų fenotipų.
Be to, tyrėjai atsižvelgė į klinikinius ir demografinius kintamuosius, tokius kaip amžius, lytis, medikamentinis gydymas prieš mirtį, komorbidinės ligos ir kita, kad sumažintų netiesioginių veiksnių įtaką. Tokia patikima biostatistinė analizė ir kruopšti duomenų kuracija sustiprina išvadų patikimumą ir skatina tolimesnį šių rezultatų ekstrapoliavimą į platesnes populiacijas bei eksperimentinius modelius.
Key discoveries and biological context
Tyrime išryškėjo dvi esminės išvados. Pirma, tam tikra eksitacinių neuronų klasė — neuronai, didinantys aktyvaciją neuroniniuose tinkluose — rodė pakeistus genų programas, susijusias su nuotaikos reguliavimu, sinapsinėmis funkcijomis ir stresui atsparumo mechanizmais. Šie pokyčiai apėmė genų tinklus, susijusius su sinapsių plastika, neurotransmiterių signalizacija ir sekos reguliatoriais (pvz., tam tikrais transkripcijos faktoriais ir jų taikiniais), kurie gali paveikti, kaip neuronai atsako į emocinius ir streso stimulus.
Antra, vienas mikroglijos potipis — smegenų vietinės imuninės kilmės ląstelės, atsakingos už uždegimo valdymą ir sinapsių „pruningą“ (perteklinių sinapsių šalinimą) — parodė specifinius transkripcijos ir chromatino pokyčius, atitinkančius uždegiminį arba imuninio moduliavimo būsenos signalą. Mikroglijų transkripcinės žymės ir prieinamumo profilis rodo aktyvacijai būdingus genų modelius, įskaitant signalo kelių, susijusių su citokinų veikla, imuninėmis reakcijomis ir fagocitoze, moduliacijas.
Mikroglija atlieka centrines funkcijas palaikant neuroninę sveikatą — pašalina atliekas, formuoja ir pertvarko sinapses bei koordinuoja uždegiminius atsakus. Jeigu mikroglijų veikla sutrinka arba jos įgauna persistuojančią aktyvacinę būseną, tai gali lemti netinkamą sinapsinių ryšių refinavimą bei disbalansą neuroniniuose tinkluose, kurie yra esminiai emocijų, atminties ir pažinimo procesams. Tuo tarpu pakeista eksitacinių neuronų genų raiška reiškia tiesioginius pokyčius tinkluose, kurie reguliuoja nuotaiką: pavyzdžiui, keičiasi membranos kanalų, neurotransmiterių receptorių ar sinapsinių baltymų ekspresija.
Tokios ląstelinės ir molekulinės išvados padeda paaiškinti matomus biologinius skirtumus tarp žmonių, sergančių didžiąja depresija, ir kontrolių, ir susieja genetinius bei epigenetinius mechanizmus su smegenų funkcijos pokyčiais. Pastebėtos chromatino prieinamumo sritys — dažnai esantys enhanceriai ar promotoriai — gali veikti kaip tarpinių mechanizmų grandinės tarp genetinių polimorfizmų (pvz., GWAS identifikuotų rizikos vietų) ir pokyčių genų ekspresijoje specifinėse ląstelių populiacijose.
„Tai pirmas kartas, kai galėjome tiksliai nustatyti, kurie konkrečiai smegenų ląstelių tipai yra paveikti depresijoje, žemėlapiuodami genų aktyvumą kartu su mechanizmais, reguliuojančiais DNR kodą“, – komentavo vyriausiasis autorius dr. Gustavo Turecki, Douglas instituto klinicinis mokslininkas ir Kanados tyrimų katedros vadovas didžiajai depresijai ir savižudybei. „Tai suteikia daug aiškesnį vaizdą, kur vyksta sutrikimai ir kurios ląstelės yra įtrauktos.“
Implications for treatment and future research
Nustatant tikslius ląstelių tipus ir reguliacinius mechanizmus, susijusius su depresija, atsiveria naujos kryptys precizinei terapijai. Galimos taikomosios kryptys apima:
- Kuriant vaistus, nukreiptus į mikroglijų uždegiminių kelių moduliaciją, kurie leistų sumažinti žalingą uždegiminį atsaką smegenyse, bet tuo pačiu išvengtų plačios imuninės sistemos slopinimo.
- Projektuojant intervencijas, skirtas atkurti eksitacinių neuronų tinklų pusiausvyrą — tai gali apimti neuromoduliacines technologijas (pvz., transkranijinę magnetinę stimulaciją, giluminę smegenų stimuliaciją) arba ląstelių tipo selektyvią farmakologiją, kuri koreguoja sinapsinę funkciją ir plastiškumą.
- Ištirti biomarkerius kraujyje arba vaizdavimo metoduose (pvz., PET žymenys mikroglijų aktyvacijai, kaip TSPO), kurie atspindėtų identifikuotas ląstelines paraštes ir leistų stebėti ligos eigą bei gydymo poveikį neinvaziniu būdu.
Be to, šie atradimai paskatina platesnes eksperimentines studijas: pvz., funkcinius bandymus su iPSC (išvestomis daugiasluoksnėmis kamieninėmis ląstelėmis), organoidų modeliais arba in vivo modeliais siekiant patikrinti, ar nustatyti transkripcijos ir chromatino pokyčiai yra priežastiniai ir ar juos galima pakeisti terapiniais būdais. Sisteminis ištyrimas gali apimti CRISPR pagrindu sukurtus redagavimo eksperimentus, kad būtų priverstinai aktyvuoti ar slopinami atskiri enhanceriai ar transkripcijos faktoriai konkrečiose ląstelių rūšyse, vertinant poveikį sinapsinei funkcijai, elgesiui ir atsparumui stresui.
Tyrėjai taip pat planuoja ištirti, kaip šie ląsteliniai pokyčiai keičia tinklų dinamiką ir elgesį bei ar juos galima atvirkščiai moduliuoti esamais arba naujai kuriamais gydymo metodais. Klinikinis perkėlimas apims tiek pacientų atranką, tiek taikinių validaciją bei saugumo ir efektyvumo tyrimus. Projektą finansavo Canadian Institutes of Health Research, Brain Canada Foundation, Fonds de recherche du Québec - Santé ir McGill iniciatyva Healthy Brains, Healthy Lives.
Praktinė terapinė plėtra susiduria su keliais iššūkiais: ląstelių tipo specifika reikalauja itin tikslių tiek vaistų paskirstymo metodų, tiek diagnostinių priemonių, leidžiančių identifikuoti pacientus, kuriems tokios intervencijos būtų efektyviausios. Be to, heterogeniškumas tarp pacientų — genetinis, aplinkos ir klinikinis — reiškia, kad sėkmingos terapijos greičiausiai bus personalizuotos ir gali reikalauti kombinuotų strategijų (pvz., farmakoterapija + neuromoduliacija + psichoterapija).
Conclusion
Šis darbas sustiprina įrodymus, kad depresija turi matomą biologinį pagrindą konkrečiame smegenų ląstelių lygyje. Išryškinus eksitacinius neuronus ir mikrogliją kaip pagrindinius veikėjus, suteikiami konkretūs taikiniai mechanistiniams tyrimams ir klojami pamatai kurti labiau tikslinei, ląstelių specifinei terapijai, kuri galėtų pagerinti gydymo rezultatus milijonams žmonių visame pasaulyje. Tolimesni tyrimai, apimantys platesnes pacientų cohortas, funkcinę validaciją eksperimentiniuose modeliuose ir klinikinius vertinimus, padės užtikrinti, kad šios molekulinės įžvalgos taptų naudingais ir saugiais gydymo sprendimais. Svarbu pabrėžti, kad nors atradimai yra įtikinami, translacija į klinikinę praktiką reikalauja atsargumo, plataus kryžminio patvirtinimo ir tarpdisciplininio bendradarbiavimo tarp neurobiologų, genetikų, klinikų ir bioinžinierių.
Šaltinis: sciencedaily
Palikite komentarą