8 Minutės
Virdžinijos technologijos mokslininkų komanda praneša, kad su amžiumi susijęs atminties silpnėjimas susijęs su konkrečiais molekuliniais pokyčiais smegenyse — ir kad šiuos pokyčius manipuliuojant galima atstatyti atminties funkciją senesniuose gyvūnuose. Naudodami tikslaus genų redagavimo įrankius tyrėjai taikė du skirtingus molekulinius mechanizmus, kad pagerintų atmintį vyresniems žiurkėms, taip atverdami naujas galimybes terapijoms, orientuotoms į demenciją ir kognityvinį senėjimą.
Kaip mažos molekulinės žymos formuoja atmintį
Atminties formavimasis, konsolidacija ir prisiminimas remiasi sudėtingu ląstelinių signalų orkestru, kuriame svarbų vaidmenį atlieka cheminės modifikacijos — biocheminės žymės, pridedamos prie baltymų ar DNR. Šios žymos keičia, kaip neuronai bendrauja, kaip sinapsės stiprinamos arba silpninamos ir kaip informacija saugoma ilgalaikėje atmintyje. Du šios studijos išryškinti mechanizmai — K63 poliubikvitinacija ir augimo faktorių geno IGF2 aktyvumas — tapo pagrindiniais tyrimo objektais dėl savo įtakos sinapsiniam perdavimui ir atminties konsolidacijai.
K63 poliubikvitinacija yra baltymų žymėjimo forma, kuri reguliuoja baltymų elgseną sinapsėse — vietose, kur neuronai keičiasi signalais. Tinkamas šių žymų kiekis padeda sinapsėms stiprėti mokymosi metu, tuo tarpu disbalansas gali susilpninti neuronų tarpusavio komunikaciją ir pakenkti atminčiai. Kitas svarbus elementas, IGF2, yra genas, susijęs su augimo faktoriais, kuris palaiko atminties konsolidavimą; jis yra imprintuotas (išreiškiamas tik iš vienos tėvų chromosomos kopijos) ir su amžiumi gali būti cheminiais mechanizmais užslopintas, dažniausiai per DNR metilinimą, kas mažina jo ekspresiją tikslinėse srityse, pavyzdžiui, hipokampe.
Du eksperimentai, perprogramavę senstančias smegenis
Dvi tarpusavyje papildančios studijos, kurių vadovas – Timothy Jarome, kartu su savo magistrantais ir doktorantais, taikė CRISPR pagrindu veikiančius įrankius, kad koreguotų šiuos molekulinius procesus žiurkėms — plačiai naudojamam modeliui kognityvinio senėjimo tyrimuose. Tyrimai buvo suplanuoti taip, kad išryškintų priežastinius ryšius tarp specifinių molekulinių pokyčių ir elgsenos rezultatų, o ne vien tik koreliacijas.
K63 poliubikvitinacijos subalansavimas
Pirmasis tyrimas, publikuotas žurnale Neuroscience, analizavo, kaip K63 poliubikvitinacijos raštai keičiasi su amžiumi dviejose svarbiose smegenų srityse: hipokampe (kritiškoje atminties formavimui ir prisiminimams) bei amigdalėje (svarbioje emocinėms atmintims). Tyrėjai nustatė priešingus pokyčius: hipokampe K63 žymėjimas didėjo, tuo tarpu amigdalėje — mažėjo, kai gyvūnai senėjo. Tokie regioniniai skirtumai rodo, kad kognityvinis senėjimas nėra vienalytis procesas ir kad skirtingi neuroniniai tinklai reaguoja skirtingai.
Komanda panaudojo CRISPR-dCas13 — RNR orientuotą redagavimo sistemą — kad selektyviai sumažintų K63 poliubikvitinacijos lygį tose smegenų srityse, kur jis buvo patologiniu lygiu padidėjęs, ir dar labiau sumažintų ten, kur jis jau buvo susilpnėjęs, pagal eksperimentinę strategiją. Įdomu, kad rezultatas nebuvo vienareikšmiškas “įjungti arba išjungti”: senos žiurkės, kurioms buvo tiksliai subalansuotos K63 žymos, parodė reikšmingus pagerėjimus atminties užduotyse, pvz., erdviniame mokymesi ir asociatyvios atminties testuose. Tai rodo, kad atminties funkcijai atkurti gali prireikti niuansuoto balanso mechanizmų lygiu — t. y. ne vien tik bendro stiprinimo ar slopinimo, bet regioniškai ir molekuliškai tiksliai nukreipto koregavimo.
Užslopinto atminties geno reaktivavimas
Antrame tyrime, paskelbtame žurnale Brain Research Bulletin, dėmesys buvo sutelktas į IGF2 geną. Tyrėjai parodė, kad su amžiumi hipokampe kaupiasi metilinimo žymės ant IGF2 imprinted regiono, kas efektyviai slopina jo ekspresiją — procesas, priskiriamas epigenetinėms modifikacijoms. Norėdami atstatyti IGF2 aktyvumą, Jarome komanda panaudojo CRISPR-dCas9 sistemą, skirtą epigenetiniam redagavimui: nukreipdami inaktyvines metilinimo žymes, jie sumažino DNR metilinimo lygį tam tikroje geno srityje ir taip reaktivavo IGF2 ekspresiją hipokampe.
Gyvūnai, kurių IGF2 buvo reaktivuotas, vyresniame amžiuje demonstravo gerokai geresnius rezultatus įvairiuose atminties testuose nei kontrolinės grupės. Tuo tarpu vidutinio amžiaus gyvūnai, kuriems atminties sutrikimų nebuvo, liko nepakitę — tai pabrėžia intervencijų laiko svarbą ir galimybę, kad kai kurios molekulinės korekcijos turi būti taikomos tik tada, kai yra specifinis deficisitas. Šie rezultatai rodo, kad epigenetinės intervencijos, nukreiptos į imprintuotų genų reaktivavimą, gali būti veiksmingos atstatant sumažėjusią atminties funkciją.
(Iš kairės) docentas Tim Jarome dirba su magistrantėmis Harshini Venkat ir Keira Currier savo laboratorijoje Gyvūnų mokslų fakultete, kur jos renka baltymų mėginius Vesterno blotui. Nuotraukos autorė: Marya Barlow už Virdžinijos technologiją
Kodėl šie atradimai svarbūs Alzheimerio ligai ir kognityviniam senėjimui
Atminties silpnėjimas paveikia didelę dalį vyresnio amžiaus žmonių ir didina riziką išsivystyti neurodegeneracinėms ligoms, tokioms kaip Alzheimerio liga. Šie tyrimai prideda svarbią dalį platesniam suvokimui: kognityvinis senėjimas verčiau primena daugelio tarpusavyje veikiančių molekulinių pokyčių tinklą nei vieną „sugedusį jungiklį“. Tokia daugialypė prigimtis reiškia, kad būsimos terapijos greičiausiai turės būti tikslios, laiku pritaikytos ir individualizuotos — nukreiptos į konkrečias smegenų sritis bei molekulines sistemas.
Tyrimai taip pat iliustruoja, kaip modernūs genų redagavimo įrankiai — šiuo atveju CRISPR-dCas13 ir CRISPR-dCas9 — gali būti panaudoti atliekant preciziškus, potenciškai grįžtamus pokyčius geno ekspresijoje ir baltymų reguliacijoje neperkerpant DNR grandinės. Tokia specifiškumo galimybė sumažina tam tikras saugumo problemas, susijusias su neištrinamais genetiniais pakeitimais, ir pabrėžia praktinį kelią kuriant terapijas, skirtas atkurti jaunesnę molekulinę būklę senėjančiose smegenyse. Be to, tai atveria galimybę kurti diagnostinius rodiklius ir gydymo biomarkerius, kurie leistų anksti nustatyti tam tikras epigenetines ar ubikvitinacijos pokyčių formas ir pritaikyti terapiją pagal molekulinį profilį.
Vertimo į kliniką iššūkiai ir ateities perspektyvos
Nors atminties pagerėjimas žiurkėse yra įtaigus ir suteikia pagrindo optimizmui, keli reikšmingi iššūkiai laukia, kol tokie metodai bus pritaikyti žmonėms. Pirmiausia reikia užtikrinti saugų ir efektyvų genų redagavimo konstruktų pristatymą į konkrečias žmonių smegenų zonas — pavyzdžiui, hipokampą ar amigdalę. Šiuo metu nagrinėjamos galimos pristatymo technologijos: smegenų in vivo vektoriai, tokie kaip adeno asocijuotosios viruso (AAV) dalys, liposomos, nanodalelės ir kitos nevirusinės sistemos. Kiekviena sistema turi privalumų ir trūkumų: AAV pasižymi ilga trukme, bet ribotu pakavimo pajėgumu ir galimais imuniniais atsakais; nevirusinės sistemos gali būti trumpalaikės, bet mažina ilgalaikių pašalinių poveikių riziką.
Antra, būtina išvengti nepageidaujamų off-target efektų tiek genomo vietose, tiek epigenetiniuose žymėjimuose — net ir nesmulkūs netikslūs pakeitimai smegenyse gali turėti reikšmingas pasekmes elgsenai ar neurologinei sveikatai. Todėl reikės išvystyti griežtus saugos bandymus, ilgalaikį stebėjimą ir molekulinius biomarkerius, patikrinančius redagavimo specifiškumą ir poveikio trukmę.
Trečia, reikia suprasti ilgalaikes pasekmes manipuliuojant epigenetinėmis žymėmis arba ubikvitinacijos keliais: ar tokios invazijos bus stabilios, ar reksponavimas sugrąžins sistemą į ankstesnę, nepageidaujamą būseną? Ar reikalingi pakartotiniai gydymo kursai? Šie klausimai reikalauja platesnių ilgalaikių preklininių tyrimų ir galiausiai griežtų klinikinių tyrimų fazių.
Galiausiai, kognityvinis senėjimas tikriausiai atspindi daugelio vienu metu vykstančių molekulinių poslinkių kompleksą. Todėl ateities terapijos gali sujungti kelis metodus: pavyzdžiui, reaktivuoti naudingus augimo faktorių signalus, tokius kaip IGF2, tuo pačiu metu normalizuojant baltymų žymėjimo sistemas, tokias kaip K63 poliubikvitinacija. Kombinuotos strategijos gali būti sinergetiškos ir veiksmingesnės, tačiau jos taip pat kels sudėtingesnius saugos ir pristatymo iššūkius.
Jarome pabrėžė, kad tyrimas buvo bendradarbiavimo, magistrantų ir doktorantų vedama iniciatyva: jo studentės Yeeun Bae ir Shannon Kincaid vadovavo atitinkamiems projektams, bendradarbiaujant su Rosalind Franklin University, Indiana University ir Penn State specialistais. Tyrimą remė Nacionaliniai sveikatos institutai (NIH) ir American Federation for Aging Research, o toks tarptautinis ir tarpdisciplininis bendradarbiavimas yra būtinas, kad būtų galima kelti translacijinius klausimus ir spartinti perėjimą nuo būtybinių modelių prie žmogaus tyrimų etapų.
Ekspertų įžvalgos
„Šie tyrimai yra svarbus žingsnis siekiant suprasti atmintį molekuliniu lygiu,“ sako dr. Elena Morales, neuromokslų tyrėja ir mokslo komunikatorė, specializuojanti senėjimo ir neurodegeneracijos srityse. „Tikslios epigenetinės ir RNR orientuotos intervencijos leidžia testuoti priežastinius ryšius tarp konkrečių molekulinių pokyčių ir elgesio. Kitas iššūkis — šias žinias saugiai perkelti į žmones — bet kelias į priekį dabar yra aiškesnis nei prieš dešimtmetį.“
Ar šie molekuliniai pakeitimai gali būti pritaikyti kaip terapijos žmonėms — išlieka atvira ir sudėtinga užduotis. Vis dėlto išvados patvirtina, kad tam tikri atminties silpnėjimo aspektai yra modifikuojami ir todėl nebūtinai neišvengiami. Tai keičia naratyvą: nuo pasyvios amžinių užmaršių priėmimo prie aktyvios mokslinės paieškos, kaip išsaugoti kognityvinius gebėjimus per visą gyvenimą.
Praktiniu požiūriu, šie darbai rekomenduoja kelią toliau plėtoti personalizuotas kognityvinių sutrikimų terapijas, kurios derins molekulinius profilius (epigenetinį žemėlapį, ubikvitinacijos statusą, baltymų ekspresiją) su tikslinėmis genų redagavimo priemonėmis. Tokia strategija galėtų leisti sukurti gydymo planus, kurie ne tik sumažintų simptomus, bet ir atkurtų jaunatviškesnę molekulinę būklę tose smegenų srityse, kur tai yra kritiškai svarbu atminčiai ir mokymuisi.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą