Как атлас 6,3 миллиона клеток меняет понимание старения и болезней мозга

Атлас из 6,3 миллиона клеточных ядер показывает, как мозг меняется с возрастом и при болезни

Мозг перестали рассматривать как смесь клеток

Большая часть прежних исследований экспрессии генов в человеческом мозге была построена на анализе фрагмента ткани целиком. Проблема в том, что мозг — не однородная масса. Один образец содержит возбуждающие и тормозные нейроны, микроглию, астроциты, олигодендроциты, клетки сосудов и другие клеточные популяции.

Если измерить активность генов сразу во всей ткани, результат будет похож на среднюю температуру по большому городу: показатель существует, но скрывает различия между отдельными районами.

Консорциум PsychAD пошел значительно глубже. Исследователи использовали секвенирование РНК отдельных клеточных ядер — метод, позволяющий определить, какие гены активны в конкретных типах клеток. В общей базе оказалось более 6,3 миллиона ядер из дорсолатеральной префронтальной коры 1494 умерших доноров в возрасте от младенчества до 108 лет.

Более 30% доноров имели генетическое происхождение за пределами европейской популяции — существенное преимущество для области, в которой исторически многие геномные базы были непропорционально представлены людьми европейского происхождения.

Исследователи разделили клетки на восемь крупных классов, 27 подклассов и 65 более детальных типов. Благодаря этому вопрос «какие гены связаны с болезнью?» можно постепенно заменить более точным: «в каких клетках, на каком этапе жизни или болезни и каким образом меняется работа этих генов?»

Восемь заболеваний оказались не восемью полностью разными биологиями

В основной части проекта сравнивались люди без диагностированных заболеваний мозга и доноры с восемью неврологическими и психиатрическими расстройствами: болезнью Альцгеймера, диффузной болезнью телец Леви, сосудистой деменцией, болезнью Паркинсона, таупатиями, лобно-височной деменцией, шизофренией и биполярным расстройством.

Оказалось, что границы между диагнозами на молекулярном уровне не всегда столь четкие, как названия заболеваний.

Особенно выраженное сходство исследователи обнаружили между болезнью Альцгеймера, болезнью телец Леви, сосудистой деменцией и болезнью Паркинсона. Пересекающиеся изменения затрагивали процессы развития и функционирования нейронов, межклеточной передачи сигналов и биологию сосудов.

Для болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона были также обнаружены общие изменения в микроглии — иммунных клетках центральной нервной системы. Микроглия постоянно контролирует состояние окружающей ткани, участвует в воспалительных реакциях и удалении поврежденных клеточных компонентов.

Это не означает, что перечисленные заболевания являются вариантами одной болезни. У каждого сохраняются собственные молекулярные особенности. Но результаты усиливают представление о том, что разные клинические диагнозы могут частично сходиться на одних и тех же клеточных и биологических процессах.

Для разработки лекарств это принципиально важно. Терапевтическая мишень, обнаруженная при одном заболевании, теоретически может оказаться значимой и при другом — если нарушение действительно относится к общему механизму, а не является вторичным следствием болезни.

У здоровой префронтальной коры обнаружились три периода молекулярной жизни

Отдельная работа PsychAD позволила рассмотреть нормальное развитие и старение без смешения этих процессов с заболеванием. Для этого исследователи проанализировали около 1,3 миллиона клеточных ядер от 284 доноров без диагностированных неврологических или психиатрических заболеваний в возрасте от младенчества до 97 лет.

Получилась любопытная картина: изменения активности генов на протяжении жизни идут не равномерно.

Первый период — интенсивная перестройка во время развития мозга. Меняются программы формирования нейронных связей, созревания клеток и организации нервных сетей.

Затем наступает длительный относительно стабильный период взрослой жизни.

Примерно после 60 лет активные молекулярные изменения вновь становятся заметнее, причем теперь они особенно выражены не в нейронах, а в глиальных клетках — клетках, обеспечивающих поддержку, иммунную защиту и нормальную работу нервной ткани. Среди меняющихся программ исследователи обнаружили процессы, связанные с иммунной активацией, клеточным стрессом и перестройкой суточных биологических ритмов.

Авторы также выявили приблизительно 24 года как статистическую точку перегиба, после которой состав большинства исследованных клеточных популяций становится значительно стабильнее.

Эту цифру легко превратить в привлекательное утверждение о том, что «мозг окончательно формируется в 24 года», но данные этого не показывают. Речь идет о математически определенной точке изменения некоторых клеточных и транскрипционных траекторий именно в исследованной области мозга. Другие свойства мозга продолжают меняться и после этого возраста.

Старение особенно заметно не в нейронах, а в клетках, которые их обслуживают

Один из наиболее интересных результатов касается роли глии.

В массовом представлении старение мозга часто сводится к постепенной утрате нейронов. Новый атлас показывает более сложную картину. Значительная часть поздних молекулярных изменений происходит в клетках, окружающих и поддерживающих нейроны.

Это хорошо согласуется с современным изменением представлений о нейродегенерации. Болезнь Альцгеймера или Паркинсона нельзя полностью описать как неисправность одного типа нейронов. В патологический процесс вовлечены иммунные реакции, энергетический обмен, поддержание миелина, межклеточная коммуникация и сосудистая система мозга.

Именно поэтому высокая клеточная детализация атласа имеет практическое значение. Потенциальный препарат может воздействовать на биологически правильный механизм, но не на тот тип клеток — и этого может оказаться достаточно, чтобы терапевтическая идея не сработала.

Биологические часы стареющего мозга тоже перестраиваются

Еще один необычный результат появился при реконструкции суточной активности генов.

Исследователи использовали время смерти доноров, чтобы статистически восстановить колебания экспрессии генов в течение суток. У молодых людей и людей среднего возраста гены, связанные с молекулярными часами, демонстрировали относительно согласованные ритмы в нейронах.

В позднем возрасте эта синхронность резко ослабевала. В анализе здорового старения у молодых и людей среднего возраста исследователи обнаружили 64 гена с достоверной суточной ритмичностью в 11 клеточных подклассах, тогда как в позднем возрасте строгому статистическому критерию соответствовал лишь один такой ген.

Одновременно признаки ритмической активности становились заметнее в некоторых популяциях микроглии и олигодендроцитов и были связаны, в частности, с реакциями на клеточный стресс.

Это интересная биологическая связь между старением мозга и циркадной системой, но пока не основание считать нарушение суточных ритмов причиной когнитивного старения. Неизвестно и другое: сможет ли восстановление таких ритмов изменить работу стареющего мозга. Это уже вопрос для будущих экспериментов.

Генетический риск теперь можно привязать к конкретной клетке

Еще одна работа консорциума решает давнюю проблему медицинской генетики.

Геномные исследования давно находят варианты ДНК, статистически связанные с болезнью Альцгеймера, шизофренией и другими заболеваниями. Но большинство таких вариантов находится не внутри участков, непосредственно кодирующих белки. Они могут влиять на то, насколько активно работают соседние или удаленные гены, причем эффект способен зависеть от типа клетки.

В рамках PsychAD исследователи построили карту генетической регуляции более чем для 14 000 генов. В одном из анализов 5,6 миллиона клеточных ядер от 1384 доноров позволили определить сотни генов, для которых влияние генетических вариантов существенно зависит от конкретного класса или подкласса клеток.

Это сокращает расстояние между статистической генетической ассоциацией и биологическим механизмом.

Вместо цепочки «вариант ДНК связан с болезнью» появляется возможность построить гораздо более содержательную последовательность: генетический вариант меняет активность определенного гена в определенной клетке, изменение затрагивает конкретный биологический процесс, а этот процесс потенциально участвует в развитии заболевания.

Для поиска лекарственных мишеней такая детализация гораздо ценнее самой по себе генетической ассоциации.

Болезнь Альцгеймера оказалась молекулярно неодинаковой даже внутри одного диагноза

Большой размер базы позволил исследователям анализировать не только различия между заболеваниями, но и различия между людьми с одним диагнозом.

При болезни Альцгеймера сравнивались молекулярные изменения с накоплением амилоидных бляшек, распространением патологического тау-белка, степенью когнитивных нарушений и нейропсихиатрическими симптомами.

При более тяжелой патологии наблюдалось уменьшение доли некоторых нейронных популяций и увеличение доли иммунных и сосудистых клеток. Одновременно исследователи обнаружили молекулярные особенности у людей, которые сохраняли относительно хорошие когнитивные функции несмотря на значительную патологию Альцгеймера в мозге.

Среди таких различий присутствовали процессы, связанные с энергетическим обменом клеток.

Это особенно интересно с точки зрения так называемой когнитивной устойчивости: почему у двух людей со сходным количеством патологических изменений клинические последствия могут заметно различаться?

Но атлас пока дает прежде всего кандидатов на объяснение. Он не устанавливает, что найденные молекулярные особенности непосредственно защищают человека от деменции. Для этого потребуются функциональные исследования.

Карта молекулярных мишеней — еще не карта новых лекарств

Масштаб PsychAD легко создает впечатление непосредственного терапевтического прорыва. На самом деле расстояние от подобного атласа до нового препарата остается большим.

Исследования в основном основаны на посмертной ткани. Они позволяют чрезвычайно подробно увидеть молекулярное состояние мозга, но не дают возможности непосредственно наблюдать, как оно менялось у одного человека в течение жизни.

Кроме того, активность РНК — лишь один уровень биологии. Изменение экспрессии гена не обязательно приводит к пропорциональному изменению количества или активности соответствующего белка. На работу клетки влияют также эпигенетическая регуляция, модификации белков, обмен веществ и взаимодействия между клетками.

Есть и пространственное ограничение. PsychAD сосредоточен прежде всего на дорсолатеральной префронтальной коре. Болезни Альцгеймера и Паркинсона, шизофрения и другие исследованные расстройства затрагивают сложные сети из множества областей мозга, поэтому найденные закономерности нельзя автоматически переносить на весь мозг.

Наконец, молекулярное изменение, связанное с заболеванием, может быть не причиной, а следствием патологического процесса или попыткой клетки компенсировать повреждение. Подавление такого изменения лекарством теоретически способно оказаться бесполезным или даже нежелательным.

PsychAD меняет сам принцип поиска терапии заболеваний мозга

Практическая ценность проекта поэтому находится не в готовом лечении, а несколько раньше — в выборе того, что вообще стоит пытаться лечить.

Разработка препаратов для нейродегенеративных и психиатрических заболеваний особенно сложна из-за биологической неоднородности мозга. Один клинический диагноз может объединять людей с различающимися молекулярными механизмами, а одна и та же генетическая особенность может иметь разное значение в нейроне, микроглии или клетке сосудистой системы.

Новый атлас позволяет постепенно переходить от поиска «мишени болезни Альцгеймера» или «мишени шизофрении» к более точной постановке задачи: какой механизм нарушен, в какой клеточной популяции, на каком этапе заболевания и у какой группы пациентов.

Для фармацевтической разработки это потенциально влияет сразу на несколько решений — от отбора мишеней и создания экспериментальных моделей до поиска биомаркеров и разделения пациентов на биологически более однородные группы.

Особенно важна открытость ресурса. PsychAD создавался не только как серия публикаций: данные и аналитические инструменты предоставляются исследовательскому сообществу. Это превращает работу из отдельного научного результата в инфраструктуру, на которой могут строиться следующие исследования.