Mapa przez Czas: śledzenie choroby Huntingtona od urodzenia w Mózgu

Nowe badanie na modelach mysich ujawnia, jak choroba Huntingtona (HD) zakłóca rozwój mózgu w czasie, nawet na długo przed pojawieniem się objawów. Wykorzystując zaawansowane narzędzia sekwencjonowania i transkryptomikę przestrzenną, technikę mapującą miejsca w mózgu, gdzie aktywowane są geny, badacze odkryli wczesne sygnały ostrzegawcze, które mogą pomóc wyjaśnić, dlaczego niektóre komórki mózgu są bardziej podatne niż inne w HD.

Dlaczego to jest ważne

Wiemy, że HD jest spowodowana powtórzeniem liter genetycznych C-A-G w genie huntingtyny. Osoby, u których nie rozwinie się HD, mają 35 lub mniej CAG, podczas gdy osoby, u których rozwinie się HD, mają 36 lub więcej.

I chociaż każda komórka nosi ten genetyczny błąd pisowni, niektóre komórki mózgu są znacznie bardziej dotknięte, powodując ich wczesną śmierć. Czego wciąż do końca nie rozumiemy, to dlaczego te komórki są bardziej podatne lub co może dziać się po cichu w mózgu na długo przed pojawieniem się objawów, co czyni je bardziej wrażliwymi.

W nowym badaniu, prowadzonym przez dr Leslie Thompson i dr Marę Burns z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, zespół zagłębił się w tę tajemnicę. Użyli potężnego połączenia technik zwanych „transkryptomiką przestrzenną” i „sekwencjonowaniem pojedynczych komórek”.

Transkryptomika przestrzenna brzmi wymyślnie (i taka jest!), ale jej nazwa daje nam wskazówki, co robi. Przestrzennie mapuje transkrypty, czyli krótkie wiadomości genetyczne tworzone z DNA, zanim zamienią się w białko, na próbce mózgu. Można więc jej użyć do pokazania, gdzie znajdują się wiadomości genetyczne na obrazie mózgu. Badacze wykorzystali tę technikę do mapowania zmian w ciągu życia myszy modelujących HD.

Sekwencjonowanie pojedynczych komórek analizuje wiadomości genetyczne w próbce w każdej pojedynczej komórce. Obie te techniki dostarczają mnóstwa danych i pomagają stworzyć szczegółową mapę tego, co dzieje się wewnątrz mózgu z powodu HD.

Co ciekawe, odkryli kilka niespodzianek! Ich praca sugeruje, że zmiany w aktywności genów zaczynają się od urodzenia i ewoluują w sposób specyficzny dla typu komórek i regionu, szczególnie wpływając na prążkowie (centralny region mózgu, który kontroluje ruch, motywację i emocje) oraz korę (zewnętrzna pofałdowana część, która kontroluje takie rzeczy jak percepcja, ruch i planowanie). Te dwa regiony mózgu są mocno dotknięte przez HD. Wiedza o tym, kiedy i jak zachodzą zmiany w tych regionach mózgu, może pomóc nam zrozumieć tajemnicę selektywnej wrażliwości w HD.

Wrażliwe strefy mózgu w HD: prążkowie i kora

Wiemy, że HD nie wpływa na wszystkie komórki mózgu w równym stopniu. Niektóre typy komórek, takie jak komórki glejowe, które wspierają neurony, nie są podatne na śmierć w taki sam sposób jak neurony.

Ale nawet same neurony są selektywnie wrażliwe. Niektóre typy są szczególnie podatne na śmierć, podczas gdy inne pozostają zaskakująco odporne, nawet w późnych stadiach. Wśród najbardziej dotkniętych są neurony kolczyste średnie (MSN), które stanowią większość prążkowia — regionu mózgu kluczowego dla koordynacji ruchu, motywacji i uczenia się.

Neurony MSN są krytycznymi „stacjami przekaźnikowymi” w obwodach mózgu, przekazując sygnały dopaminy i precyzyjnie dostrajając kontrolę motoryczną. W HD neurony te należą do pierwszych, które wykazują zmienioną funkcję i ostatecznie umierają. Nowe badanie pokazuje, że nawet u nowonarodzonych myszy HD neurony MSN zaczynają wykazywać nieprawidłową aktywację genów, w tym zwiększony poziom genów tożsamości, takich jak Drd1 i Tac1, które później maleją. Sugeruje to, że komórki mogą „nadmiernie kompensować” na wczesnym etapie, zanim się załamią.

Tymczasem w korze, innym regionie mózgu, który rządzi wyższym myśleniem i podejmowaniem decyzji, badacze odkryli zmniejszoną ekspresję Tcf4, kluczowego węzła genetycznego ważnego dla rozwoju neuronów. Te zmiany korowe zaczynają się wcześnie i utrzymują się przez cały przebieg choroby, sugerując, że HD może również subtelnie zakłócać dojrzewanie kory.

Nowa era mapowania mózgu

Do niedawna, jeśli chcieliśmy wiedzieć, które geny są aktywowane inaczej przez HD, większość badań opierała się na metodzie zwanej „sekwencjonowaniem RNA in bulk”. Technika ta jest potężna, ale ma jedną dużą wadę: aby zmierzyć, które geny są włączone, naukowcy najpierw muszą zmielić tkankę mózgową. Oznacza to, że komunikaty genetyczne ze wszystkich typów komórek w próbce — wrażliwych i odpornych neuronów, gleju, a nawet komórek z naczyń krwionośnych — mieszają się ze sobą.

Sekwencjonowanie RNA w masie jest trochę jak nagrywanie wszystkich rozmów w mieście naraz i mieszanie ich w jeden ścieżkę dźwiękową. Usłyszysz ogólny hałas, ale nie możesz powiedzieć, czy pochodzi on od nauczyciela w klasie, ulicznego grajka, czy dziecka na placu zabaw. Aby to obejść, badacze w tym badaniu użyli dwóch nowych podejść:

• Transkryptomika przestrzenna: Ta metoda jest dużym krokiem naprzód, ponieważ mierzy aktywność genów, zachowując nienaruszone skrawki tkanki. To jak zrobienie zdjęcia mózgu z lotu ptaka z kolorowymi plamkami pokazującymi, które obszary są „głośne” lub „ciche” w swojej aktywności genetycznej. Rozdzielczość nie wychwytuje sygnałów z każdej pojedynczej komórki, ale może z grup kilkudziesięciu komórek. Co najważniejsze, zachowuje informacje o „gdzie”, które metody in bulk usuwają.
• Sekwencjonowanie RNA pojedynczych jąder (tzw. snRNA-seq): Tutaj naukowcy przybliżają się znacznie bardziej. Zamiast pracować z całymi plastrami mózgu, izolują pojedyncze komórki i odczytują ich aktywność genetyczną jedną po drugiej. To ujawnia kto mówi w mieście mózgu — neurony, astrocyty, mikroglej czy oligodendrocyty — i co każdy typ komórki mówi. Ale wadą jest to, że ta metoda traci kontekst przestrzenny: wiesz, kto mówi, ale nie wiesz, gdzie są w mieście.

Łącząc te dwie metody na osi czasu życia myszy HD, zespół uzyskał to, co najlepsze z obu światów: „gdzie” z transkryptomiki przestrzennej i „kto” z sekwencjonowania pojedynczych komórek. Pozwoliło im to zbudować przestrzenną mapę w czasie tego, jak rozwija się HD. Dzięki niej powiązali zmiany genów z określonymi typami komórek i regionami mózgu w trzech etapach: narodzinach, wczesnych objawach i późnej fazie choroby. To podejście oferuje więcej niuansów niż poprzednie techniki i otwiera nowe możliwości zrozumienia złożonych chorób, takich jak HD.

Kluczowe odkrycia

• Reorganizacja od samego początku: Nawet przy urodzeniu, myszy z HD już wykazują zmienioną aktywność genów. W prążkowiu geny mitochondrialne (te kontrolujące produkcję energii) były zakłócone. W korze gen zwany Tcf4, kluczowy dla rozwoju mózgu, był zredukowany. Może to wpływać na to, jak neurony korowe organizują się i łączą.
• Zmiany w czasie: MSN wykazywały wczesne wzrosty genów tożsamości, które pomagają definiować ten konkretny typ neuronu. Z czasem ta tendencja wydaje się zmieniać, a poziomy genów tożsamości spadają. Badacze zidentyfikowali inne zmiany, które mogą przyczyniać się do upośledzenia MSN, takie jak deficyty mitochondrialne, wydające się pochodzić z prążkowia przed jawnym początkiem objawów i rozprzestrzeniające się na inne regiony mózgu.
• Załamanie komunikacji: Badając ścieżki sygnalizacji międzykomórkowej, zespół odkrył zależne od czasu zmiany w sygnalizacji neuropeptydu Y (NPY), który może być zaangażowany w równoważenie wykorzystania energii i zdrowia neuronów.

Patrząc w przyszłość: nowe ścieżki do zrozumienia i interwencji

To badanie nie tylko dostarcza migawki mózgu z HD, ale oferuje mapę poklatkową tego, jak rzeczy zmieniają się w miarę postępu HD. Łącząc dane przestrzenne i jednokomórkowe, pokazuje wczesny wpływ Huntingtona, być może zaczynający się już od urodzenia i budujący się powoli z czasem.

Ważne jest jednak, aby zauważyć, że nawet zmiany zidentyfikowane przy urodzeniu nie oznaczają, że mózg nie może kompensować. Oczywiście może! Osoby z genem HD generalnie żyją całkowicie zdrowym życiem przez dekady. To, co może to oznaczać, to że te wczesne, subtelne zmiany mogą przygotowywać te komórki na wrażliwość później, co czyni je bardziej podatnymi na śmierć. Więc chociaż mogą odpierać molekularne ataki przez te dekady, z czasem staje się to zbyt wiele.

Te spostrzeżenia oferują kilka wniosków dla społeczności HD:

• Czas terapii: Jeśli wczesne zmiany genów przyczyniają się do wrażliwości, leczenie mające na celu stabilizację rozwoju mózgu mogłoby być cenne, nawet przed pojawieniem się objawów.
• Strategie celowane: Zrozumienie, które komórki zmieniają się pierwsze i jak, mogłoby pomóc w opracowaniu bardziej precyzyjnych terapii. Niektóre zmiany mogą zaczynać się wcześnie, ale są równoważone przez własne mechanizmy kompensacyjne mózgu. Badanie tych naturalnych mechanizmów obronnych mogłoby ujawnić nowe sposoby walki od samego początku.
• Rozwój biomarkerów: Wzorce jak stres mitochondrialny czy obniżenie Tcf4 mogą pewnego dnia pomóc w dokładniejszym identyfikowaniu początku choroby.

Najważniejsze jest to, że ta praca podkreśla rosnące znaczenie narzędzi mapowania mózgu opartych na dużych danych, pomagając naukowcom wyjść poza całościowe średnie, żeby naprawdę zrozumieć, co dzieje się w pojedynczych komórkach, w prawdziwej tkance, w czasie. Choć to badanie zostało przeprowadzone na modelu mysim, kładzie kluczowe podstawy do zrozumienia najwcześniejszych molekularnych fal HD w ludzkim mózgu i tego, jak moglibyśmy pewnego dnia interweniować, zanim mapa się zmieni.

Podsumowanie

• Zaawansowane narzędzia mapowania: Łączenie transkryptomiki przestrzennej i sekwencjonowania pojedynczych komórek ujawnia zarówno gdzie, jak i które komórki są zmienione w HD.
• Wczesne początki: Zmiany aktywności genów zaczynają się od urodzenia u myszy HD, szczególnie w prążkowiu i korze, najbardziej dotkniętych regionach mózgu.
• Dynamiczne zmiany w czasie: Neurony w podatnych regionach wykazują wczesną nadaktywację genów tożsamości, które później spadają w miarę postępu choroby.
• Problemy z energią i komunikacją: Szlaki sygnalizacyjne mitochondrialne i neuropeptydowe są zakłócone, wpływając na zdrowie neuronów.
• Plan wczesnej interwencji: Te odkrycia podkreślają, że subtelne zmiany we wczesnym życiu mogą kształtować późniejszą podatność, kierując przyszłe strategie prewencji i terapii.

Dowiedz się więcej

Oryginalny artykuł naukowy, „Distinct molecular patterns in R6/2 HD mouse brain: Insights from spatiotemporal transcriptomics” (dostęp otwarty).