رمزگشایی از پیچیدگی های بیماری فراموشی

به گزارش واحد ژنتیک پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، بیماری فراموشی بیش از 6 میلیون نفر در ایالات متحده را تحت تأثیر قرار می دهد و درمان های تأیید شده توسط FDA بسیار کمی وجود دارد که می تواند پیشرفت این بیماری را کاهش دهد. به امید کشف اهداف جدید برای درمان های بالقوه، محققان MIT گسترده ترین تجزیه و تحلیل را از تغییرات ژنومی، اپی ژنومیک و ترانسکریپتومی که در هر نوع سلول در مغز بیماری فراموشی رخ می دهد، انجام داده اند. محققان با استفاده از بیش از 2 میلیون سلول از بیش از 400 نمونه مغز پس از مرگ، چگونگی اختلال بیان ژن را با پیشرفت بیماری فراموشی تجزیه و تحلیل کردند. آنها همچنین تغییرات در تغییرات اپی ژنومیک سلول ها را ردیابی کردند که به تعیین اینکه کدام ژن در یک سلول خاص روشن یا خاموش می شود کمک می کند. این رویکردها با هم، دقیق ترین تصویر را از زیربنای ژنتیکی و مولکولی بیماری فراموشی ارائه می دهند.

کاری که محققان قصد انجام آن را داشتند این بود که تخصص محاسباتی و بیولوژیکی خود را با هم ترکیب کرده و نگاهی بی طرفانه به بیماری فراموشی در مقیاسی بی سابقه در صدها نفر بیندازند، کاری که قبلاً هرگز انجام نشده بود. یافته ها نشان می دهد که تأثیر متقابل تغییرات ژنتیکی و اپی ژنتیکی از یکدیگر تغذیه می کنند تا تظاهرات پاتولوژیک بیماری را هدایت کنند. این یک فرآیند چند عاملی است. این مقالات با هم از رویکردهای متفاوتی استفاده می کنند که به تصویری هم گرا از بیماری فراموشی اشاره می کند که در آن نورون های آسیب دیده نقص هایی در ژنوم سه بعدی خود دارند و این عامل بسیاری از فنوتیپ های بیماری است که دیده می شود.

یک تعامل پیچیده

بسیاری از تلاش ها برای تولید داروهای بیماری فراموشی بر روی پلاک های آمیلوئیدی که در مغز بیماران ایجاد می شود متمرکز شده است. در مجموعه جدید مطالعات، تیم MIT با تجزیه و تحلیل محرک های مولکولی این بیماری، انواع سلول هایی که آسیب پذیرترین هستند و مسیرهای بیولوژیکی زیربنایی که منجر به تخریب عصبی می شوند، به دنبال روش های احتمالی دیگری بودند. برای این منظور، محققان آنالیزهای رونویسی و اپی ژنومیک را روی 427 نمونه مغز از پروژه مطالعه دستورات حافظه و پیری (ROSMAP) انجام دادند، یک مطالعه طولی که حافظه، حرکت و سایر تغییرات مرتبط با سن را در افراد مسن از سال 1994 ردیابی کرده است. این نمونه ها شامل 146 نفر بدون اختلال شناختی، 102 نفر با اختلال شناختی خفیف و 144 نفر با تشخیص زوال عقل مرتبط با بیماری فراموشی بودند.

در اولین مقاله سلولی که بر تغییرات بیان ژن متمرکز بود، محققان از توالی یابی RNA تک سلولی برای تجزیه و تحلیل الگوهای بیان ژن 54 نوع سلول مغزی از این نمونه ها استفاده کردند و عملکردهای سلولی را شناسایی کردند که بیشترین تأثیر را در بیماری فراموشی داشتند. در میان برجسته ترین آنها، محققان اختلالاتی را در بیان ژن های دخیل در عملکرد میتوکندری، سیگنال دهی سیناپسی و کمپلکس های پروتئینی مورد نیاز برای حفظ یکپارچگی ساختاری ژنوم پیدا کردند. این مطالعه بیان ژن، همچنین نشان داد که مسیرهای ژنتیکی مرتبط با متابولیسم لیپیدها بسیار مختل شده است. در مطالعات گذشته، قوی ترین خطر ژنتیکی بیماری فراموشی به نام APOE4 با متابولیسم طبیعی لیپید تداخل می کند که می تواند منجر به نقص در بسیاری از فرآیندهای سلولی دیگر شود. محققان همچنین الگوهای بیان ژن را در افرادی که دارای اختلالات شناختی بودند و افرادی که این کار را انجام ندادند، از جمله برخی از افرادی که با وجود درجاتی از تجمع آمیلوئید در مغز تیزبین بودند، مقایسه کردند، پدیده ای که به عنوان انعطاف پذیری شناختی شناخته می شود. آن تجزیه و تحلیل نشان داد که افراد دارای انعطاف پذیری شناختی دارای جمعیت بیشتری از دو زیر مجموعه از نورون های بازدارنده در قشر پیش پیشانی هستند. در افراد مبتلا به زوال عقل مرتبط با بیماری فراموشی، به نظر می رسد این سلول ها در برابر تخریب عصبی و مرگ سلولی آسیب پذیرتر هستند. این کشف نشان می دهد که جمعیت های نورون بازدارنده خاص ممکن است کلید حفظ عملکرد شناختی را حتی در حضور پاتولوژی بیماری فراموشی داشته باشند.

اپی ژنومیک

محققان برخی از تغییرات اپی ژنومیک را که در 92 نفر، از جمله 48 فرد سالم و 44 مبتلا به بیماری فراموشی در مراحل اولیه یا اواخر، رخ داد، بررسی کردند. تغییرات اپی ژنومیک تغییراتی در تغییرات شیمیایی یا بسته بندی DNA است که بر استفاده از یک ژن خاص در یک سلول خاص تأثیر می گذارد. برای اندازه گیری این تغییرات، محققان از تکنیکی به نام ATAC-Seq استفاده کردند که دسترسی به مکان ها در سراسر ژنوم را با وضوح تک سلولی اندازه گیری می کند. با ترکیب این داده ها با داده های توالی یابی RNA تک سلولی، محققان توانستند اطلاعات مربوط به میزان بیان یک ژن را با داده هایی در مورد میزان دسترسی به آن ژن پیوند دهند. آن ها همچنین می توانند شروع به گروه بندی ژن ها در مدارهای تنظیمی کنند که عملکردهای سلولی خاص مانند ارتباطات سیناپسی را کنترل می کنند. روش اصلی که نورون ها پیام ها را در سراسر مغز منتقل می کنند.

با استفاده از این رویکرد، محققان توانستند تغییرات در بیان ژن و قابلیت دسترسی اپی ژنومیک را که در ژن هایی که قبلاً با بیماری فراموشی مرتبط بوده اند، ردیابی کنند. آن ها همچنین انواع سلول هایی را شناسایی کردند که به احتمال زیاد این ژن های مرتبط با بیماری را بیان می کنند و دریافتند که بسیاری از آنها اغلب در میکروگلیا، سلول های ایمنی مسئول پاک سازی زباله ها از مغز، رخ می دهند. این مطالعه همچنین نشان داد که هر نوع سلولی در مغز با پیشرفت بیماری فراموشی دچار پدیده ای به نام فرسایش اپی ژنومیک می شود، به این معنی که الگوی طبیعی سلول ها از مکان های ژنومی قابل دسترس از بین می رود که به از دست دادن هویت سلولی کمک می کند.

نقش میکروگلیا

در سومین مقاله سلولی، محققان عمدتاً روی میکروگلیا تمرکز کردند که 5 تا 10 درصد از سلول های مغز را تشکیل می دهد. این سلول های ایمنی علاوه بر پاکسازی زباله ها از مغز، به آسیب یا عفونت نیز پاسخ می دهند و به نورون ها کمک می کنند تا با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. در مطالعه جدید، محققان از توالی یابی RNA برای طبقه بندی میکروگلیا به 12 حالت مختلف، بر اساس صدها ژن که در سطوح مختلف در هر حالت بیان می شوند، استفاده کردند. آنها همچنین نشان دادند که با پیشرفت بیماری فراموشی، میکروگلیاهای بیشتری وارد حالت های التهابی می شوند. آزمایشگاه Tsai همچنین قبلاً نشان داده بود که با افزایش التهاب در مغز، سد خونی مغزی شروع به تحلیل می کند و نورون ها در برقراری ارتباط با یکدیگر دچار مشکل می شوند. در عین حال، میکروگلیای کمتری در مغز بیماری فراموشی وجود دارد، در حالتی که هموستاز را تقویت می کند و به عملکرد طبیعی مغز کمک می کند. محققان فاکتورهای رونویسی را شناسایی کردند که ژن هایی را که میکروگلیا را در آن حالت هموستاتیک نگه می دارند فعال می کنند، و آزمایشگاه Tsai اکنون در حال بررسی راه هایی برای فعال سازی این عوامل است، به این امید که با برنامه ریزی میکروگلیاهای تحریک کننده التهاب، به حالت هومئوستاتیک برگردند تا بیماری فراموشی را درمان کنند..

آسیب DNA

در چهارمین مطالعه سلولی، محققان چگونگی کمک آسیب DNA به بیماری فراموشی را بررسی کردند. کار قبلی آزمایشگاه تسای نشان داده است که آسیب DNA می تواند مدت ها قبل از ظهور علائم فراموشی در نورون ها ظاهر شود. این آسیب تا حدی نتیجه این واقعیت است که در طول شکل گیری حافظه، نورون ها شکستگی های DNA دو رشته ای زیادی را ایجاد می کنند. این شکستگی ها به سرعت ترمیم می شوند، اما روند ترمیم می تواند با افزایش سن نورون ها معیوب شود. زمانی که آسیب زیادی به DNA در نورون ها وارد می شود، سلول ها در تلاش برای قرار دادن ژنوم در کنار هم، اشتباهاتی را مرتکب می شوند که باعث بازآرایی می شوند. تشبیهی که من دوست دارم از آن استفاده کنم این است که اگر یک شکاف در یک تصویر داشته باشید، می توانید به راحتی آن را کنار هم قرار دهید، اما اگر یک تصویر را بشکنید و سعی کنید آن را دوباره کنار هم بچینید، مرتکب اشتباه خواهید شد.

این اشتباهات ترمیم همچنین منجر به پدیده ای به نام همجوشی ژن می شود که زمانی رخ می دهد که بازآرایی بین ژن ها اتفاق می افتد و منجر به اختلال در تنظیم ژن ها می شود. در کنار نقص در چین خوردگی ژنوم، به نظر می رسد این تغییرات عمدتاً بر ژن های مرتبط با فعالیت سیناپسی تأثیر می گذارد و احتمالاً به کاهش شناختی که در بیماری فراموشی دیده می شود، کمک می کند. به گفته محققان، یافته ها امکان جستجوی راه هایی برای افزایش قابلیت های ترمیم DNA سلول های عصبی را به عنوان راهی برای کاهش سرعت پیشرفت بیماری آلزایمر افزایش می دهد.محققان همچنین امیدوارند که سایر دانشمندان از داده های ژنومی و اپی ژنومیک آنها استفاده کنند. کلیس می گوید: «ما می خواهیم دنیا از این داده ها استفاده کند. ما مخازن آنلاین ایجاد کرده ایم که در آن افراد می توانند با داده ها تعامل داشته باشند، بتوانند به آن ها دسترسی داشته باشند، آن ها را تجسم کنند و در جریان آن تجزیه و تحلیل انجام دهند.