Изменения в ДНК клеток мозга могут быть ответственными-и если это так, лекарства, уже разработанные для других заболеваний, могут быть использованы для его лечения
Определенные наследственные генетические мутации приводят к болезни Альцгеймера (AD), но они относительно редки. Однако недавнее исследование, проведенное в моей лаборатории, показывает, что изменения в генах, которые не передаются родителями, также могут играть ключевую роль в возникновении заболевания. Это происходит в результате процесса, происходящего в ядре клетки, известного как рекомбинация генов (GR), который может вносить изменения в «светокопию» ДНК в нейронах человека.
Нейрональная GR действует на ген APP (белок-предшественник амилоида), который играет центральную роль в болезни Альцгеймера, производя тысячи вариаций ДНК APP. Такие изменения могут возникать в нормальном мозге, но в дальнейшем изменяются при нашей эре. Если наши данные подтвердятся, это будет означать, что рекомбинация в этих нейронах может быть вовлечена в процесс заболевания, который приводит к болезни Альцгеймера. И наши результаты указывают также на класс существующих лекарств, одобренных для других заболеваний, которые могут прерывать ГР и, следовательно, могут использоваться для лечения болезни Альцгеймера.
Исторически считалось, что клетки мозга - и большинство клеток нашего тела - содержат идентичный план ДНК или геном. Мы знали об одном исключении в клетках иммунной системы - B и T-клетках, которые были первыми и пока что только типам клеток, о которых известно, что они подвергаются соматическому GR, что означает, что изменения GR не передаются потомству, в отличие от изменений зародышевой линии, влияющих на половые клетки. ,
В иммунной системе генная рекомбинация создает специализированные рецепторы, распознающие себя из не-я (технически, иммуноглобулины и Т-клеточные рецепторы, образованные GR). Открытию ГР в иммунной системе Сусуму Тонегава в 1970-х годах предшествовали теоретические работы и наблюдения на нервной системе рыб, предполагающие, что рекомбинация может иметь значение для мозга. Однако, в отличие от иммунной системы, у рыб, не говоря уже о людях, не было молекулярного кандидата на ГР, и понятие рекомбинации генов в мозгу ослабло.
Но в начале 21-го века исследователи обнаружили предвестника GR. Мы обнаружили, что последовательности ДНК варьируются от клетки к клетке, что означает, что наш мозг представляет собой обширную мозаику различных геномов, явление, которое метко называют «геномным мозаицизмом». Эти изменения отличаются от эпигенетических изменений, которые непосредственно не влияют на последовательности ДНК. В настоящее время ученые идентифицировали множественные изменения последовательности, которые довольно разнообразны и кажутся случайными, состоящими - в порядке уменьшения размера - целых хромосом (анеуплоидий), меньших вариаций числа копий, даже меньших элементов ретротранспозона LINE1 и «вариаций одного нуклеотида, которые изменяют отдельные нуклеотиды ,
Таким образом, мозговой геномный мозаицизм существует, но для чего он хорош и как он работает? Общие наблюдения подтверждают влияние мозаицизма на экспрессию генов и выживание клеток. Однако специфически измененные гены до настоящего времени не были идентифицированы. Следует отметить, что ряд генов-кандидатов в течение многих лет исследовали на предмет наличия GR-генов для обонятельных рецепторов и определенных белков клеточной адгезии. Другие подходы идентифицировали разрывы цепей ДНК в нервных генах во время раннего развития мозга мыши, которые могут быть связаны с рекомбинацией генов. Однако, опять же, никаких проверенных генов не возникло
Без истинного кандидата белка или гена, это исследование похоже на поиск иголки в стоге сена. Более того, иммунные клетки, прежде всего опухоли иммунных клеток, могут расти одинаково, поскольку клетка делится через митоз (или «клональную экспансию») для амплификации того же генома и, таким образом, позволяет проводить его анализ обычными способами, контрастируя с нейронами, которые не продолжают делить. Поэтому оценки на уровне одной или нескольких ячеек необходимы для понимания ГР. Проблема, которую необходимо решить, может быть проиллюстрирована на аналогии: коричневая краска может быть однородно составлена из молекул коричневого пигмента или вместо этого образована цветными молекулами пигмента, которые также выглядят коричневыми при смешивании.
Принятие всего этого во внимание привело нас к проведению исследований, оценивающих мозаицизм в мозге нашей эры. Наши результаты показали большую мозаичность - в частности, для увеличения числа копий приложения.В частности, было обнаружено, что сегменты ДНК в гене APP не только амплифицируются в некоторых нейронах. Но некоторые сегменты приложения выросли в количестве больше, чем другие, намекая на GR.
Поэтому мы тщательно проанализировали ген APP, используя девять различных технических подходов, применяемых к отдельным клеткам или небольшим коллекциям нейронов, чтобы учесть геномный мозаицизм из нормального и AD мозга. Все эти анализы привели к одним и тем же выводам, обнаружив тысячи новых вариаций APP, характеризующихся множеством различных изменений последовательности в проекте геномной ДНК, которые напоминали так называемые комплементарные ДНК. Эти cDNAS, для краткости, являются копиями молекул РНК, которые обеспечивают код для создания белков.
Участие известного фермента, называемого обратной транскриптазой, открытого Дэвидом Балтимором и Говардом Теминым, по-видимому, создает кДНК, которые встраиваются обратно в геном (gencDNAs), процесс, который отличается от GR иммунной системы, который не включает обратную транскриптазу и происходит в митотические клетки. В нейронах даже один ген может, по-видимому, дать начало многим тысячам различных форм посредством этого процесса, значительно увеличивая геномное разнообразие.
Генная рекомбинация происходит в ответ на стимулы, которые можно широко рассматривать как форму регистрации клеточного события с использованием gencDNAs. Впоследствии «воспроизведение» генкДНК может иметь преимущество, заключающееся в том, что он не требует столько времени и энергии, как обычный процесс транскрибирования гена в белок. Например, GR может быть привязан к сенсорным стимулам, таким как зрение, звук, вкус, осязание и запах, а также к внутренним нейрохимическим факторам - даже лекарствам - которые могут эффективно записывать и хранить произведенные gencDNAs, в то же время позволяя воспроизводить их тем же или, возможно, другим раздражители.
В исследовании болезни Альцгеймера наше исследование указывает на случай, когда GR стала дикой, производя генпДНК APP с заметно увеличенными числами и формами, включая нуклеотидные изменения, идентичные тем, которые обнаруживаются при наследственных мутациях AD, но происходят соматически и мозаично только в нейронах AD. Существование этих бесчисленных вариаций APP может объяснить прошлые неудачи в терапевтических испытаниях, которые не смогли нацелиться на множество различных молекулярных образований. Участие обратной транскриптазы предполагает возможность новых терапевтических средств, направленных на ингибирование фермента.
Фактически, уже есть некоторые доказательства того, что у пациентов с ВИЧ, которые принимали ингибиторы обратной транскриптазы в течение многих лет, может быть более низкая частота возникновения болезни Альцгеймера с возрастом. В принципе, одобренные FDA лекарства, такие как ингибиторы обратной транскриптазы, могли бы использоваться сегодня и могут принести особую пользу людям из категорий высокого риска, для которых в настоящее время не существует эффективного лечения. GR, влияющие на разные гены, могут лежать в основе одного или нескольких сотен других заболеваний мозга, а также могут влиять на другие типы клеток, помимо мозга.
