Αποκωδικοποίηση της πολυπλοκότητας της νόσου του Αλτσχάιμερ

Αναλύοντας τις αλλαγές της επιγονιδιωματικής και της γονιδιακής έκφρασης που συμβαίνουν στη νόσο του Αλτσχάιμερ, οι ερευνητές εντοπίζουν κυτταρικές οδούς που θα μπορούσαν να γίνουν νέοι στόχοι φαρμάκων.

Η νόσος του Αλτσχάιμερ επηρεάζει περισσότερους από 6 εκατομμύρια ανθρώπους στις Ηνωμένες Πολιτείες και υπάρχουν πολύ λίγες θεραπείες εγκεκριμένες από την FDA που μπορούν να επιβραδύνουν την εξέλιξη της νόσου.

Με την ελπίδα να ανακαλύψουν νέους στόχους για πιθανές θεραπείες του Alzheimer, οι ερευνητές του MIT πραγματοποίησαν την ευρύτερη ανάλυση των γονιδιωματικών, επιγονιδιωματικών και μεταγραφικών αλλαγών που συμβαίνουν σε κάθε τύπο κυττάρου στον εγκέφαλο ασθενών με Alzheimer.

Χρησιμοποιώντας περισσότερα από 2 εκατομμύρια κύτταρα από περισσότερα από 400 μεταθανάτια δείγματα εγκεφάλου, οι ερευνητές ανέλυσαν πώς διαταράσσεται η γονιδιακή έκφραση καθώς εξελίσσεται η νόσος του Αλτσχάιμερ. Παρακολούθησαν επίσης αλλαγές στις επιγονιδιωματικές τροποποιήσεις των κυττάρων, οι οποίες βοηθούν στον προσδιορισμό των γονιδίων που ενεργοποιούνται ή απενεργοποιούνται σε ένα συγκεκριμένο κύτταρο. Μαζί, αυτές οι προσεγγίσεις προσφέρουν την πιο λεπτομερή εικόνα των γενετικών και μοριακών υποστρωμάτων της νόσου Αλτσχάιμερ.

Οι ερευνητές αναφέρουν τα ευρήματά τους σε ένα σύνολο τεσσάρων εγγράφων που εμφανίζονται σήμερα στο Cell. Επικεφαλής των μελετών ήταν ο Li-Huei Tsai, διευθυντής του Ινστιτούτου Μάθησης και Μνήμης Picower του MIT, και ο Μανώλης Κέλλης, καθηγητής επιστήμης υπολογιστών στο Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) του MIT και μέλος του Broad Institute of MIT and Χάρβαρντ.

«Αυτό που ξεκινήσαμε να κάνουμε ήταν να συνδυάσουμε την υπολογιστική και τη βιολογική μας τεχνογνωσία και να ρίξουμε μια αμερόληπτη ματιά στο Αλτσχάιμερ σε άνευ προηγουμένου κλίμακα σε εκατοντάδες άτομα – κάτι που δεν έχει ξαναγίνει ποτέ», λέει η Kellis.

Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι μια αλληλεπίδραση γενετικών και επιγενετικών αλλαγών τρέφονται μεταξύ τους για να οδηγήσουν τις παθολογικές εκδηλώσεις της νόσου.

«Είναι μια πολυπαραγοντική διαδικασία», λέει ο Τσάι. «Αυτές οι εργασίες μαζί χρησιμοποιούν διαφορετικές προσεγγίσεις που υποδεικνύουν μια συγκλίνουσα εικόνα της νόσου του Αλτσχάιμερ όπου οι προσβεβλημένοι νευρώνες έχουν ελαττώματα στο τρισδιάστατο γονιδίωμά τους και αυτό είναι αιτία για πολλούς από τους φαινοτύπους της νόσου που βλέπουμε».

Μια σύνθετη αλληλεπίδραση

Πολλές προσπάθειες για την ανάπτυξη φαρμάκων για τη νόσο του Αλτσχάιμερ έχουν επικεντρωθεί στις αμυλοειδείς πλάκες που αναπτύσσονται στον εγκέφαλο των ασθενών. Στη νέα σειρά μελετών της, η ομάδα του MIT προσπάθησε να αποκαλύψει άλλες πιθανές προσεγγίσεις αναλύοντας τους μοριακούς οδηγούς της νόσου, τους τύπους κυττάρων που είναι πιο ευάλωτοι και τις υποκείμενες βιολογικές οδούς που οδηγούν τον νευροεκφυλισμό.

Για το σκοπό αυτό, οι ερευνητές πραγματοποίησαν μεταγραφικές και επιγονιδιωματικές αναλύσεις σε 427 δείγματα εγκεφάλου από το Religious Orders Study/Memory and Aging Project (ROSMAP), μια διαχρονική μελέτη που παρακολουθεί τη μνήμη, την κίνηση και άλλες αλλαγές που σχετίζονται με την ηλικία σε ηλικιωμένους από το 1994. Αυτά τα δείγματα περιελάμβαναν 146 άτομα χωρίς γνωστική έκπτωση, 102 με ήπια γνωστική εξασθένηση και 144 με διάγνωση άνοιας που συνδέεται με το Αλτσχάιμερ.

Στην πρώτη εργασία Cell, που επικεντρώθηκε στις αλλαγές γονιδιακής έκφρασης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αλληλουχία RNA μονοκυττάρου για να αναλύσουν τα πρότυπα γονιδιακής έκφρασης 54 τύπων εγκεφαλικών κυττάρων από αυτά τα δείγματα και εντόπισαν κυτταρικές λειτουργίες που επηρεάστηκαν περισσότερο σε ασθενείς με Αλτσχάιμερ. Μεταξύ των πιο σημαντικών, βρήκαν βλάβες στην έκφραση των γονιδίων που εμπλέκονται στη μιτοχονδριακή λειτουργία, τη συναπτική σηματοδότηση και τα πρωτεϊνικά σύμπλοκα που απαιτούνται για τη διατήρηση της δομικής ακεραιότητας του γονιδιώματος.

Αυτή η μελέτη γονιδιακής έκφρασης, της οποίας ηγήθηκε ο πρώην μεταδιδάκτορας του MIT Hansruedi Mathys, ο μεταπτυχιακός φοιτητής Zhuyu (Verna) Peng και ο πρώην μεταπτυχιακός φοιτητής Carles Boix, διαπίστωσε επίσης ότι τα γενετικά μονοπάτια που σχετίζονται με τον μεταβολισμό των λιπιδίων ήταν πολύ διαταραγμένα. Σε εργασία που δημοσιεύθηκε στο Nature πέρυσι, τα εργαστήρια Tsai και Kellis έδειξαν ότι ο ισχυρότερος γενετικός κίνδυνος για τη νόσο Αλτσχάιμερ, που ονομάζεται APOE4, παρεμβαίνει στον φυσιολογικό μεταβολισμό των λιπιδίων, ο οποίος μπορεί στη συνέχεια να οδηγήσει σε ελαττώματα σε πολλές άλλες κυτταρικές διεργασίες.

Στη μελέτη με επικεφαλής τον Mathys, οι ερευνητές συνέκριναν επίσης μοτίβα γονιδιακής έκφρασης σε άτομα που εμφάνιζαν γνωστικές βλάβες και σε αυτούς που δεν είχαν, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων που παρέμειναν αιχμηρά παρά το γεγονός ότι είχαν κάποιο βαθμό συσσώρευσης αμυλοειδούς στον εγκέφαλο, ένα φαινόμενο γνωστό ως γνωστική ανθεκτικότητα. Αυτή η ανάλυση αποκάλυψε ότι οι γνωστικά ανθεκτικοί άνθρωποι είχαν μεγαλύτερους πληθυσμούς δύο υποομάδων ανασταλτικών νευρώνων στον προμετωπιαίο φλοιό. Σε άτομα με άνοια που συνδέεται με το Αλτσχάιμερ, αυτά τα κύτταρα φαίνεται να είναι πιο ευάλωτα σε νευροεκφυλισμό και κυτταρικό θάνατο.

«Αυτή η αποκάλυψη υποδηλώνει ότι συγκεκριμένοι πληθυσμοί ανασταλτικών νευρώνων μπορεί να έχουν το κλειδί για τη διατήρηση της γνωστικής λειτουργίας ακόμη και με την παρουσία της παθολογίας του Αλτσχάιμερ», λέει ο Mathys. «Η μελέτη μας επισημαίνει αυτούς τους συγκεκριμένους υποτύπους ανασταλτικών νευρώνων ως κρίσιμο στόχο για μελλοντική έρευνα και έχει τη δυνατότητα να διευκολύνει την ανάπτυξη θεραπευτικών παρεμβάσεων που στοχεύουν στη διατήρηση των γνωστικών ικανοτήτων σε γηρασμένους πληθυσμούς».

Επιγονιδιωματική

Στη δεύτερη εργασία Cell, με επικεφαλής τον πρώην μεταδιδάκτορα του MIT Xushen Xiong, τον μεταπτυχιακό φοιτητή Benjamin James και τον πρώην μεταπτυχιακό φοιτητή Carles Boix PhD '22, οι ερευνητές εξέτασαν μερικές από τις επιγονιδιωματικές αλλαγές που συνέβησαν σε 92 άτομα, συμπεριλαμβανομένων 48 υγιών ατόμων και 44 με πρώιμου ή όψιμου σταδίου Αλτσχάιμερ. Οι επιγονιδιωματικές αλλαγές είναι αλλαγές στις χημικές τροποποιήσεις ή τη συσκευασία του DNA που επηρεάζουν τη χρήση ενός συγκεκριμένου γονιδίου σε ένα δεδομένο κύτταρο.

Για να μετρήσουν αυτές τις αλλαγές, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται ATAC-Seq, η οποία μετρά την προσβασιμότητα θέσεων σε όλο το γονιδίωμα σε ανάλυση ενός κυττάρου. Συνδυάζοντας αυτά τα δεδομένα με δεδομένα αλληλουχίας RNA μονοκυττάρου, οι ερευνητές μπόρεσαν να συνδέσουν πληροφορίες σχετικά με το πόσο εκφράζεται ένα γονίδιο με δεδομένα σχετικά με το πόσο προσιτό είναι αυτό το γονίδιο. Θα μπορούσαν επίσης να αρχίσουν να ομαδοποιούν γονίδια σε ρυθμιστικά κυκλώματα που ελέγχουν συγκεκριμένες κυτταρικές λειτουργίες, όπως η συναπτική επικοινωνία - ο κύριος τρόπος με τον οποίο οι νευρώνες μεταδίδουν μηνύματα σε όλο τον εγκέφαλο.

Χρησιμοποιώντας αυτή την προσέγγιση, οι ερευνητές μπόρεσαν να παρακολουθήσουν αλλαγές στη γονιδιακή έκφραση και την επιγονιδιωματική προσβασιμότητα που συμβαίνουν σε γονίδια που είχαν προηγουμένως συνδεθεί με τη νόσο του Αλτσχάιμερ. Προσδιόρισαν επίσης τους τύπους κυττάρων που ήταν πιο πιθανό να εκφράζουν αυτά τα γονίδια που συνδέονται με την ασθένεια και διαπίστωσαν ότι πολλά από αυτά εμφανίζονται πιο συχνά στη μικρογλοία, τα κύτταρα του ανοσοποιητικού που είναι υπεύθυνα για την απομάκρυνση των υπολειμμάτων από τον εγκέφαλο.

Αυτή η μελέτη αποκάλυψε επίσης ότι κάθε τύπος κυττάρου στον εγκέφαλο υφίσταται ένα φαινόμενο γνωστό ως επιγονιδιωματική διάβρωση καθώς εξελίσσεται η νόσος του Αλτσχάιμερ, που σημαίνει ότι χάνεται το φυσιολογικό πρότυπο των προσβάσιμων γονιδιωματικών θέσεων των κυττάρων, γεγονός που συμβάλλει στην απώλεια της κυτταρικής ταυτότητας.

Ο ρόλος της μικρογλοίας

Σε μια τρίτη εργασία Cell, με επικεφαλής τον απόφοιτο του MIT Na Sun και τον ερευνητή επιστήμονα Matheus Victor, οι ερευνητές εστίασαν κυρίως στη μικρογλοία, η οποία αποτελεί το 5 έως 10 τοις εκατό των κυττάρων στον εγκέφαλο. Εκτός από τον καθαρισμό των υπολειμμάτων από τον εγκέφαλο, αυτά τα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος ανταποκρίνονται επίσης σε τραυματισμό ή μόλυνση και βοηθούν τους νευρώνες να επικοινωνούν μεταξύ τους.

Αυτή η μελέτη βασίζεται σε ένα έγγραφο του 2015 από τους Tsai και Kellis, στο οποίο διαπίστωσαν ότι πολλές από τις παραλλαγές της μελέτης συσχέτισης σε επίπεδο γονιδιώματος (GWAS) που σχετίζονται με τη νόσο του Αλτσχάιμερ είναι κυρίως ενεργές σε κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος όπως η μικρογλοία, πολύ περισσότερο από ό,τι σε νευρώνες ή άλλους τύπους εγκεφαλικά κύτταρα.

Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την αλληλουχία RNA για να ταξινομήσουν τα μικρογλοία σε 12 διαφορετικές καταστάσεις, με βάση εκατοντάδες γονίδια που εκφράζονται σε διαφορετικά επίπεδα σε κάθε κατάσταση. Έδειξαν επίσης ότι καθώς η νόσος του Αλτσχάιμερ εξελίσσεται, περισσότερες μικρογλοίες εισέρχονται σε φλεγμονώδεις καταστάσεις. Το εργαστήριο Tsai έχει επίσης δείξει στο παρελθόν ότι καθώς εμφανίζεται περισσότερη φλεγμονή στον εγκέφαλο, ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός αρχίζει να υποβαθμίζεται και οι νευρώνες αρχίζουν να δυσκολεύονται να επικοινωνούν μεταξύ τους.

Ταυτόχρονα, υπάρχουν λιγότερα μικρογλοία στον εγκέφαλο του Αλτσχάιμερ σε κατάσταση που προάγει την ομοιόσταση και βοηθά τον εγκέφαλο να λειτουργεί κανονικά. Οι ερευνητές εντόπισαν μεταγραφικούς παράγοντες που ενεργοποιούν τα γονίδια που διατηρούν τη μικρογλοία σε αυτήν την ομοιοστατική κατάσταση και το εργαστήριο Tsai διερευνά τώρα τρόπους για να ενεργοποιήσει αυτούς τους παράγοντες, με την ελπίδα να θεραπεύσει τη νόσο του Αλτσχάιμερ προγραμματίζοντας τη μικρογλοία που προκαλεί φλεγμονή να επιστρέψει σε ομοιοστατική κατάσταση.

Βλάβη στο DNA

Στην τέταρτη μελέτη κυττάρων, με επικεφαλής τον ερευνητή του MIT Vishnu Dileep και Boix, οι ερευνητές εξέτασαν πώς η βλάβη του DNA συμβάλλει στην ανάπτυξη της νόσου του Αλτσχάιμερ. Προηγούμενη εργασία από το εργαστήριο του Tsai έδειξε ότι η βλάβη στο DNA μπορεί να εμφανιστεί στους νευρώνες πολύ πριν εμφανιστούν τα συμπτώματα του Αλτσχάιμερ. Αυτή η βλάβη είναι εν μέρει συνέπεια του γεγονότος ότι κατά τη διάρκεια του σχηματισμού της μνήμης, οι νευρώνες δημιουργούν πολλές θραύσματα δίκλωνου DNA. Αυτά τα σπασίματα επιδιορθώνονται αμέσως, αλλά η διαδικασία επιδιόρθωσης μπορεί να γίνει ελαττωματική καθώς οι νευρώνες γερνούν.

Αυτή η τέταρτη μελέτη διαπίστωσε ότι καθώς συσσωρεύεται περισσότερη βλάβη στο DNA στους νευρώνες, γίνεται πιο δύσκολο για αυτούς να επιδιορθώσουν τη βλάβη, οδηγώντας σε αναδιατάξεις του γονιδιώματος και ελαττώματα 3D αναδίπλωσης.

«Όταν έχετε πολλές βλάβες στο DNA στους νευρώνες, τα κύτταρα, στην προσπάθειά τους να επανενώσουν το γονιδίωμα, κάνουν λάθη που προκαλούν ανακατατάξεις», λέει ο Dileep. «Η αναλογία που μου αρέσει να χρησιμοποιώ είναι ότι αν έχεις μια ρωγμή σε μια εικόνα, μπορείς εύκολα να τη συνδυάσεις, αλλά αν σπάσεις μια εικόνα και προσπαθήσεις να τη συνδυάσεις, θα κάνεις λάθη».

Αυτά τα λάθη επιδιόρθωσης οδηγούν επίσης σε ένα φαινόμενο γνωστό ως γονιδιακή σύντηξη, το οποίο συμβαίνει όταν πραγματοποιούνται αναδιατάξεις μεταξύ των γονιδίων, οδηγώντας σε απορρύθμιση των γονιδίων. Εκτός από τα ελαττώματα στην αναδίπλωση του γονιδιώματος, αυτές οι αλλαγές φαίνεται να επηρεάζουν κυρίως τα γονίδια που σχετίζονται με τη συναπτική δραστηριότητα, συμβάλλοντας πιθανότατα στη γνωστική έκπτωση που παρατηρείται στη νόσο του Αλτσχάιμερ.

Τα ευρήματα αυξάνουν τη δυνατότητα αναζήτησης τρόπων ενίσχυσης των δυνατοτήτων επιδιόρθωσης του DNA των νευρώνων ως τρόπου επιβράδυνσης της εξέλιξης της νόσου του Αλτσχάιμερ, λένε οι ερευνητές.

Επιπλέον, το εργαστήριο του Kellis ελπίζει τώρα να χρησιμοποιήσει αλγόριθμους τεχνητής νοημοσύνης, όπως μοντέλα γλώσσας πρωτεϊνών, νευρωνικά δίκτυα γραφημάτων και μεγάλα γλωσσικά μοντέλα για να ανακαλύψει φάρμακα που μπορεί να στοχεύουν μερικά από τα βασικά γονίδια που εντόπισαν οι ερευνητές σε αυτές τις μελέτες.

Οι ερευνητές ελπίζουν επίσης ότι άλλοι επιστήμονες θα χρησιμοποιήσουν τα γονιδιωματικά και επιγονιδιωματικά τους δεδομένα. «Θέλουμε ο κόσμος να χρησιμοποιήσει αυτά τα δεδομένα», λέει ο Kellis. «Δημιουργήσαμε διαδικτυακά αποθετήρια όπου οι άνθρωποι μπορούν να αλληλεπιδρούν με τα δεδομένα, να έχουν πρόσβαση σε αυτά, να τα οπτικοποιούν και να διεξάγουν αναλύσεις εν κινήσει».

Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε, εν μέρει, από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας και την κοινοπραξία Cure Alzheimer's Foundation CIRCUITS.