Как ген APOE4 повышает риск развития болезни Альцгеймера

Перевод: Alex Hiver
Редакция: Алексей Недосугов
Оформление: Никита Родионов
Публикация: 05.12.2022

APOE4 — сильнейший генетический фактор риска развития болезни Альцгеймера. Наличие одной копии варианта гена APOE4 повышает риск развития данного заболевания в три раза (а двух копий — примерно в десять раз). Однако биологические механизмы, лежащие в основе причин такого повышенного риска, до конца не ясны.

В новом исследовании использовался метод транскриптомики одиночных клеток в образцах человеческого мозга, полученных посмертно. Задачей исследования стало описание образцов среди лиц-носителей гена APOE4 и неносителей. Полученные данные дают всестороннее представление о влиянии APOE4 на человеческий мозг. В ходе исследования составлен целый атлас отдельных клеток, описывающий транскрипционные эффекты APOE4 на человеческий мозг при старении. При этом исследователи установили функциональную связь между APOE4, холестерином, процессом миелинизации и памятью, предлагая новые возможности для лечения болезни Альцгеймера.
Исследование опубликовано в Nature в статье «APOE4 нарушает миелинизацию путем дисрегуляции метаболизма холестерина в олигодендроцитах».
 

Окрашивание черным золотом трех образцов человеческого мозга выявило значительно меньшую степень миелинизации у носителей копии гена APOE4 (APOE3/4) — гена риска развития болезни Альцгеймера.

Ли-Хуэй Цай, профессор в институте Пикауэра и член факультета Исследования мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института, отмечает, что в данной статье очень четко продемонстрировано, что основываясь на методике секвенирования РНК одиночных клеток (snRNAseq), полученных из тканей головного мозга, в зависимости от генотипа, APOE4 оказывает мощное влияние на разные типы клеток мозга. Наблюдается нарушение конвергенции метаболизма липидов, однако если внимательно изучить, какие липидные пути нарушаются в разных типах клеток мозга, все эти пути различны.

Она полагает, что дисрегуляция обмена липидов является фундаментальным биологическим нарушением, лежащим в основе многих наблюдаемых патологий.

В этом исследовании авторы объединили данные гистологического и липидомного анализов образцов человеческого мозга, клеток, выращенных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, и образцов тканей мозга мышей (имеются в виду генетические линии мышей, у которых была проведена целевая замена нейтрального гена на ген APOE4). Авторам удалось показать, что, когда у человека присутствует одна или две копии гена АРОЕ4 (а не более распространенный и нейтральный, относительно риска развития болезни Альцгеймера, вариант APOE3), олигодендроциты «плохо справляются» с метаболизмом холестерина, они оказываются не способны транспортировать его в аксоны. В частности, удалось показать, что холестерин по ошибке откладывается в олигодендроцитах — клетках, обеспечивающих миелинизацию аксонов нейронов, что формирует своего рода «изоляцию» и повышает электрическую активность нейронов.

Дефицит миелина может в значительной степени влиять на течение патологического процесса и симптоматику болезни Альцгеймера, потому что без надлежащей миелинизации нейронные связи деградируют.

Согласно новому исследованию, предполагается, что APOE4 не только нарушает миелинизацию (а также выдвигается гипотеза, как это происходит), но и представлен первый систематический анализ основных типов клеток головного мозга с использованием секвенирования РНК одиночных клеток (snRNAseq), с целью сравнить, как экспрессия генов отличается у людей-носителей гена APOE4 и у носителей гена APOE3.

Результаты секвенирования, которое провела команда исследователей, выложены в свободный доступ аспиранткой из лаборатории Цай-Джуной фон Мэйделл. Данные охватывают более 160 000 отдельных клеток 11 различных типов из префронтальной коры 32 человек: 12 из них были носителями двух копий гена APOE3, 12 человек по одной копии APOE3 и APOE4, 8 — двух копий APOE4.

Данные образцов APOE3/3 и APOE3/4 были статистически равнозначны по диагнозу болезни Альцгеймера, полу и возрасту. Все носители APOE4/4 страдали болезнью Альцгеймера, и 5 из 8 человек были женского пола.

Часть результатов отражали уже известные аспекты патологического процесса при этой патологии, однако были выявлены и другие закономерности. В частности, было показано, что олигодендроциты, несущие ген APOE4, в большей степени экспрессируют гены синтеза холестерина и нарушения его транспорта. Чем больше у человека копий APOE4, тем выраженнее был эффект. Это оказалось особенно интересным, учитывая результаты предыдущего анализа, проведенного в 2019 году лабораторией Цай и Манолисом Келлисом, PhD, профессором теории вычислительных систем Массачусетского технологического института. Этот анализ позволил связать болезнь Альцгеймера со снижением экспрессии генов миелинизации среди олигодендроцитов.

Используя различные методы для непосредственного изучения ткани, команда исследователей обнаружила, что в мозге носителей APOE4 в телах клеток накапливается аномальное количество холестерина, особенно в олигодендроцитах, притом, что вокруг аксонов его относительно немного.

Чтобы понять причину команда использовала полученные от пациентов индуцированные плюрипотентные стволовые клетки для выращивания лабораторных клеточных культур олигодендроцитов, отличающихся только по APOE4 или APOE3. И снова же, клетки-носители гена APOE4 демонстрировали выраженные нарушения обмена липидов. В частности, в телах пораженных олигодендроцитов накапливался избыточный холестерин, что приводило к повышенному давлению на эндоплазматический ретикулум. В свою очередь, это выражалось в меньшем транспорте холестерина к собственной клеточной мембране [олигодендроцита]. Позже, при их культивировании совместно с нейронами, олигодендроциты-носители гена APOE4 оказывались не способны к миелинизации нейронов в той же степени, что и носители APOE3, в независимости от того, являются ли сами нейроны носителями генов APOE4 или APOE3.

Команда также отметила, что в образцах мозга носителей APOE4, признаков миелинизации аксонов было меньше, чем у носителей APOE3. Например, оболочка аксонов, проходящих через мозолистое тело (структура, соединяющая полушария мозга), в мозге носителей APOE4 оказалась значительно тоньше. То же самое оказалось верным для генетически модифицированных линий мышей, обладающих человеческим геном APOE4, по сравнению с мышами-носителями гена APOE3.

Команда сосредоточилась на препаратах, влияющих на содержание холестерина — статины (подавляющие синтез холестерина) и циклодекстрин (способствует транспорту холестерина). Статины не оказывали эффекта, однако применение циклодекстрина к олигодендроцитам-носителям АРОЕ4, выращенным в культуре клеток, уменьшало накопление холестерина внутри клеток и способствовало миелинизации в культурах с нейронами. Аналогичные эффекты были выявлены и у мышей-носителей APOE4.

Наконец, команда давала части мышей с геном APOE4 циклодекстрин, а часть мышей не получала этот препарат, а после — все мыши были подвергнуты двум различным тестам на запоминание. Мыши, получавшие циклодекстрин, справились с выполнением обоих тестов значительно лучше, что свидетельствует о наличии связи между усиленной миелинизацией и улучшенными когнитивными функциями.

Цай заявляет, что складывается четкая картина, в которой вмешательство для исправления специфических нарушений регуляции липидов, в зависимости от типа клеток, потенциально может противодействовать тому негативному влиянию, которое оказывает продукт гена APOE4 на патологический процесс при болезни Альцгеймера.

Цай считает обнадеживающим тот факт, что удалось зафиксировать способ восстановления функции олигодендроцитов и миелинизации в клеточных культурах и на примере мышиных моделей. Однако помимо олигодендроцитов, также необходимо выявить клинически эффективные способы восстановления микроглии, астроцитов и сосудистой сети мозга, чтобы бороться с болезнью Альцгеймера действительно эффективно.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.