Zespół badawczy kierowany przez naukowców z MIT i Mayo Clinic zidentyfikował, ich zdaniem, niezwykłe nakładanie się na poziomie komórkowym i molekularnym zaburzeń ruchu, stwardnienia zanikowego bocznego (ALS) i zwyrodnienia płata czołowo-skroniowego (FTLD), które leży u podstaw funkcji poznawczych. otępienie czołowo-skroniowe (FTD). Wyniki ich badania wskazują potencjalne cele, które mogą doprowadzić do opracowania terapii mających zastosowanie w przypadku obu zaburzeń.

Jednym z najważniejszych odkryć badania było to, że najbardziej wrażliwe neurony były prawie identyczne w obu chorobach, zarówno pod względem genów wyrażanych w komórkach, jak i tego, jak ekspresja tych genów zmieniała się w każdej chorobie. „Te podobieństwa były dość uderzające, co sugeruje, że leczenie ALS może mieć również zastosowanie w przypadku FTLD i odwrotnie” – powiedziała dr Myriam Heiman, profesor nadzwyczajny w Instytucie Uczenia się i Pamięci Picower oraz na Wydziale Nauk o Mózgu i Kognitywistyce MIT. „Nasze badanie może pomóc w opracowaniu programów terapeutycznych, które prawdopodobnie byłyby skuteczne w przypadku obu chorób”.

Heiman jest głównym autorem korespondencyjnym artykułu opublikowanego przez zespół w Komórkazatytułowany „Rozwarstwienie pojedynczych komórek ludzkiej kory ruchowej i przedczołowej w ALS i FTLD”.

Na pozór ALS i FTLD objawiają się na bardzo różne sposoby. Ponadto wiadomo, że te dwa zaburzenia wpływają przede wszystkim na bardzo różne obszary mózgu. Jednak na przestrzeni lat klinicyści i naukowcy zauważyli kilka podobieństw. „Chociaż stwardnienie zanikowe boczne (ALS) i zwyrodnienie płata czołowo-skroniowego (FTLD) są uważane za dwie odrębne diagnozy, wykazują nakładające się cechy kliniczne, patologiczne i genetyczne, co sugeruje, że stanowią część tego samego spektrum chorób” – napisali autorzy.

Klinicznie u 40–50% pacjentów, u których zdiagnozowano ALS lub FTD, ostatecznie rozwiną się objawy drugiej choroby, a u aż 15% pacjentów zostaną zdiagnozowane oba zaburzenia – kontynuują badacze. Zauważyli jednak, że pomimo wspólnych cech zarówno ALS, jak i FTD, „… brakuje szczegółowego zrozumienia powiązanych z nimi zmian transkrypcyjnych we wrażliwych typach komórek korowych”

W swoim nowo opublikowanym badaniu Heiman i współpracownicy wykorzystali technologię sekwencjonowania jednojądrowego RNA (snRNA-seq) do śledzenia wzorców ekspresji RNA w 620 000 komórek obejmujących 44 różne typy komórek w obszarach kory ruchowej (MCX) i grzbietowo-bocznej kory przedczołowej (DLPFC) mózgu , z pobranych pośmiertnie próbek mózgów 73 dawców, u których zdiagnozowano ALS, FTLD, oraz osób z grupy kontrolnej, u których nie stwierdzono zaburzeń neurologicznych.

„W tym miejscu przedstawiamy porównawczy atlas molekularny jednokomórkowy o wysokiej rozdzielczości pierwotnej kory ruchowej i grzbietowo-bocznej kory przedczołowej człowieka oraz ich zmiany transkrypcyjne w sporadycznych i rodzinnych ALS i FTLD” – napisali. „Wykorzystujemy je do identyfikowania i charakteryzowania znanych i nowych wrażliwych populacji, badania zmian transkrypcyjnych w typach komórek neuronowych, glejowych i naczyniowych, identyfikowania zbieżnych i rozbieżnych mechanizmów i szlaków chorobowych w różnych typach komórek, chorobach i regionach mózgu oraz wskazywania czynników wpływających na rozwój komórek -podatność różnicowa specyficzna dla typu.”

Współstarsza autorka, doktor Manolis Kellis, profesor w laboratorium informatyki i sztucznej inteligencji na MIT, wyjaśniła dalej: „Skoncentrowaliśmy się na dwóch obszarach mózgu, na które, jak oczekiwaliśmy, wpływały różnice między tymi dwoma zaburzeniami. Okazuje się, że na poziomie molekularnym i komórkowym zmiany, które odkryliśmy, były prawie identyczne w obu zaburzeniach i dotyczyły prawie identycznych podzbiorów typów komórek w obu regionach”.

Heiman i Kellis współpracowali ze współautorką dr Veronique Belzil, następnie profesorem nadzwyczajnym neurologii w Mayo Clinic na Florydzie, obecnie dyrektorem Centrum Badań nad ALS na Uniwersytecie Vanderbilt.

Jednym z kluczowych wniosków płynących z badania było to, że dawcy mózgu z dziedzicznymi i sporadycznymi postaciami zaburzeń wykazali podobnie zmienione zmiany w ekspresji genów, mimo że wcześniej sądzono, że mają one różne przyczyny. Odkrycie sugeruje, że podobne procesy molekularne mogą przebiegać nieprawidłowo poniżej źródeł chorób. „Nasze dane pokazują, że specyficzne dla typu komórki składniki rozregulowania genów wywołanego chorobą są zachowane w przypadku ALS i FTLD oraz że istnieje jednoznacznie duże podobieństwo zmian w ekspresji genów sporadycznych i rodzinnych (C9) wywołanych ALS/FTLD” – badacze stwierdził.

„Podobieństwo molekularne między rodzinną (monogeniczną) a sporadyczną (poligeniczną) postacią tych zaburzeń sugeruje, że różne etiologie łączą się w wspólne ścieżki” – dodał Kellis. „Ma to ważne implikacje zarówno dla zrozumienia heterogeniczności pacjentów, jak i szerszego zrozumienia złożonych i rzadkich zaburzeń”.

Badanie wykazało, że to nakładanie się chorób było szczególnie widoczne, gdy przyjrzano się najbardziej dotkniętym komórkom. W przypadku ALS, o którym wiadomo, że powoduje postępujący paraliż i ostatecznie śmierć, najbardziej zagrożonymi komórkami w mózgu są górne neurony ruchowe (UMN) w warstwie 5 kory ruchowej. Tymczasem w behawioralnym wariancie otępienia czołowo-skroniowego (bvFTD), najczęstszym typie FTLD, który charakteryzuje się zmianami osobowości i zachowania, najbardziej wrażliwymi neuronami są neurony wrzecionowe, czyli komórki von Economo, znajdujące się w warstwie 5 bardziej czołowych obszarów mózgu.

„Integrując informacje transkrypcyjne i genetyczne, identyfikujemy znane i wcześniej niezidentyfikowane wrażliwe populacje w warstwie korowej 5 i pokazujemy, że neurony motoryczne i wrzecionowe powiązane z ALS i FTLD posiadają praktycznie nierozróżnialną tożsamość molekularną” – stwierdzili naukowcy. „… pokazujemy, że utrata neuronów w warstwie korowej 5 jest ściślej powiązana z tożsamością transkrypcyjną niż z morfologią komórkową i wykracza poza wcześniej zgłaszane typy wrażliwych komórek”.

Nowe badanie pokazuje, że choć komórki wyglądają inaczej pod mikroskopem i tworzą wyraźne połączenia w obwodach mózgowych, ekspresja genów w organizmie zdrowym i chorym jest uderzająco podobna. „UMN i neurony wrzecionowe nie są do siebie podobne i żyją w bardzo różnych obszarach mózgu” – powiedział Sebastian Pineda, główny autor badania i doktorant nadzorowany wspólnie przez Heimana i Kellisa. „Niezwykłe było to, że wydają się praktycznie nie do odróżnienia na poziomie molekularnym i bardzo podobnie reagują na choroby”.

Naukowcy odkryli, że wiele genów odpowiedzialnych za te dwie choroby ma związek z rzęskami pierwotnymi, maleńkimi strukturami przypominającymi anteny na powierzchni komórki, które wykrywają zmiany chemiczne w otaczającym ją środowisku. Rzęski są niezbędne do kierowania wzrostem aksonów, czyli długich włókien nerwowych, które neurony rozciągają, aby połączyć się z innymi neuronami. Stwierdzono, że komórki bardziej zależne od tego procesu, zazwyczaj te o najdłuższych projekcjach, są bardziej podatne na każdą chorobę.

„Zaburzenia związane z ciliopatią człowieka charakteryzują się rozwojowymi wadami rozwojowymi aksonów i nieprawidłowościami w odnajdywaniu ścieżki aksonów. Wiadomo też, że geny związane z rzęską pierwotną pełnią ważne funkcje rozwojowe aksonów” – stwierdził zespół. „Wzbogacenie tych genów w najbardziej wrażliwych typach komórek sugeruje niezbadany czynnik determinujący podatność wzmocnioną przez typ komórki”.

Analiza wykazała także inny typ neuronu, który wykazuje silną ekspresję genu SCN4B i który nie był wcześniej powiązany z żadną chorobą, również miał wiele takich samych cech i wykazywał podobne zaburzenia. „Być może jest tak, że zmiany w tej słabo scharakteryzowanej populacji komórek leżą u podstaw różnych klinicznie istotnych zjawisk chorobowych” – powiedział Heiman.

Wyniki badania wykazały, że w najbardziej wrażliwych komórkach zachodzi ekspresja genów, o których wiadomo, że są genetycznie powiązane z każdą chorobą, co stanowi potencjalną podstawę mechanistyczną dla niektórych z tych powiązań genetycznych. Heiman powiedział, że ten schemat nie zawsze ma miejsce w przypadku chorób neurodegeneracyjnych. Na przykład choroba Huntingtona jest spowodowana dobrze znaną mutacją w genie Huntingtona, ale neurony najbardziej dotknięte tą chorobą nie wyrażają Huntingtona bardziej niż inne komórki. To samo dotyczy niektórych genów związanych z chorobą Alzheimera.

Wychodząc poza neurony, w badaniu scharakteryzowano różnice w ekspresji genów w wielu innych typach komórek mózgowych. Warto zauważyć, że badacze zaobserwowali kilka oznak problemów w układzie krążenia mózgu. Uważa się, że w obu zaburzeniach bariera krew-mózg (BBB), system filtrujący ściśle regulujący, które cząsteczki mogą wchodzić do mózgu i z niego wychodzić przez naczynia krwionośne, jest naruszona.

Opierając się na wcześniejszej charakterystyce układu naczyniowego ludzkiego mózgu i jego zmian w chorobie Huntingtona i Alzheimera, przeprowadzonej przez Heimana, Kellisa i współpracowników, w tym dyrektora Instytutu Picower, dr Li-Huei Tsai, naukowcy odkryli, że białka potrzebne do utrzymania integralności naczyń krwionośnych są zmniejszone lub niewłaściwie rozmieszczone w neurodegeneracji. „Zgodnie z wcześniejszymi dowodami dotyczącymi wycieku naczyniowego i utraty połączeń ścisłych, odkryliśmy, że regulacja elementów połączeń ścisłych i przylegających uległa obniżeniu.

w komórkach śródbłonka MCX w ALS i, w mniejszym stopniu, w przypadkach FTLD” – stwierdzili. „Oczekuje się, że obniżenie poziomu białek kodujących elementy połączeń ścisłych i przylegających będzie miało wpływ na integralność bariery krew-mózg (BBB).”

Naukowcy zaobserwowali także redukcję HLA-E, cząsteczki, która ma hamować degradację BBB przez układ odpornościowy. „HLA-E jest ważnym regulatorem funkcji komórek NK, działającym specyficznie w komórkach śródbłonka jako bodziec hamujący lizę komórek za pośrednictwem NK” – napisali. „Zaobserwowaliśmy zmniejszoną ekspresję białka HLA-E w komórkach śródbłonka ALS MCX… utrata HLA-E ze śródbłonka mózgu może stanowić mechanizm rozpadu BBB za pośrednictwem NK i/lub akumulacji miąższu komórek NK.”

Biorąc pod uwagę wiele molekularnych i mechanistycznych podobieństw w ALS i FTLD, Heiman i Kellis stwierdzili, że są ciekawi, dlaczego niektórzy pacjenci mają ALS, inni FTLD, a jeszcze inni oba, ale w innej kolejności.

Podczas gdy w niniejszym badaniu badano górne neurony ruchowe w mózgu, Heiman i Kellis, również we współpracy z Belzilem, starają się obecnie scharakteryzować również połączone dolne neurony ruchowe w rdzeniu kręgowym. „Nasze analizy pojedynczych komórek ujawniły wiele wspólnych szlaków biologicznych w przypadku ALS, FTLD, choroby Huntingtona, Alzheimera, otępienia naczyniowego, otępienia z ciałami Lewy’ego i kilku innych rzadkich chorób neurodegeneracyjnych” – stwierdził Kellis. „Te wspólne cechy mogą utorować drogę nowemu modułowemu podejściu do precyzyjnego i spersonalizowanego rozwoju terapeutycznego, które może przynieść bardzo potrzebne nowe spostrzeżenia i nadzieję”.

Zespół zasugerował w dyskusji, że ich podejście mogłoby mieć również szersze zastosowania. „Zidentyfikowaliśmy populacje komórek o różnej wrażliwości i wykazaliśmy zbieżność genetycznych czynników ryzyka na poziomie populacji i rozregulowania transkrypcji, stosując podejście, które można rozszerzyć na inne zaburzenia, w których typy komórek o różnej wrażliwości są źle zdefiniowane lub nieznane” – wskazali dalej.