دانشمندان مکانیسم اختلال در غشا‌های عصبی در گونه APOE۴ را کشف کرده‌اند

به گزارش مجله خبری نگار، دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست کشف کرده‌اند که چگونه APOE۴، یک گونه ژنی مرتبط با افزایش خطر ابتلا به بیماری آلزایمر دیررس، تشکیل میلین، غلاف اطراف فیبر‌های عصبی، را مختل می‌کند. در آزمایش‌های آزمایشگاهی، هدف قرار دادن مکانیسم کشف شده این فرآیند را بهبود بخشید. ایزوستیا در مورد اینکه چرا مغز به این "عایق" نیاز دارد، چرا چربی‌ها می‌توانند درون سلول‌ها تجمع یابند و این کشف چه معنایی برای درمان دارد، گزارش می‌دهد.

چرا نورون‌ها به «ایزوله‌سازی» نیاز دارند؟

برای به خاطر سپردن یک چهره آشنا، خواندن یک جمله یا پیدا کردن راه خانه، مغز نیاز به انتقال سیگنال‌ها بین سلول‌های عصبی دارد. برخی از این سیگنال‌ها در امتداد آکسون‌ها - امتداد‌های طولانی نورون‌ها - حرکت می‌کنند.

بسیاری از آکسون‌ها توسط میلین احاطه شده‌اند. این غلاف اغلب با عایق سیم برق مقایسه می‌شود: به انتشار سریع و کارآمد تکانه‌های عصبی کمک می‌کند. با این حال، میلین یک ساختار زنده است که توسط سلول‌های تخصصی ایجاد و نگهداری می‌شود.

بنابراین، سلامت اتصالات عصبی به این نیز بستگی دارد که سلول‌های مجاور چگونه وظایف خود را انجام می‌دهند. اگر تشکیل میلین مختل شود، می‌تواند انتقال سیگنال را مختل کند.

در مطالعه جدید خود، محققان به طور خاص بر روی الیگودندروسیت‌ها تمرکز کردند و نقصی در استفاده از لیپید‌ها کشف کردند. در سلول‌های APOE۴ مثبت، لیپید‌ها به شکل قطرات جمع می‌شوند، در حالی که تشکیل غلاف میلین مختل می‌شود.

چرا APOE۴ اینقدر توجه را به خود جلب کرده است؟

APOE ژنی است که حاوی دستورالعمل‌هایی برای تولید آپولیپوپروتئین E، پروتئینی که در انتقال لیپید نقش دارد، می‌باشد. این ژن چندین نوع رایج از جمله APOE۲، APOE۳ و APOE۴ دارد.

با این حال، وجود APOE۴ به معنای تشخیص بیماری نیست. همانطور که کتابخانه ملی پزشکی ایالات متحده توضیح می‌دهد، یک فرد احتمال ابتلا به این بیماری را به ارث می‌برد، نه اجتناب‌ناپذیر بودن ابتلا به آن را. همه ناقلان APOE۴ به بیماری آلزایمر مبتلا نمی‌شوند و همه افراد مبتلا این نوع ژن را ندارند.

برای محققان مهم است که بفهمند چگونه یک ویژگی ژنتیکی عملکرد سلولی را تغییر می‌دهد. دانستن افزایش خطر به تنهایی توضیح نمی‌دهد که دقیقاً این اختلال در کجا رخ می‌دهد یا چه فرآیندی را می‌توان هدف قرار داد.

این مطالعه جدید، تحقیقات این گروه را ادامه می‌دهد. در سال ۲۰۲۲، دانشمندان نشان دادند که APOE۴ با تجمع لیپید در الیگودندروسیت‌ها و اختلال در میلین‌سازی - تشکیل میلین - مرتبط است. اکنون، آنها تلاش کرده‌اند تا مکانیسم مولکولی پشت این اختلال را شناسایی کنند.

چربی وجود دارد، اما پوسته بدتر شکل می‌گیرد

در نگاه اول، این وضعیت متناقض به نظر می‌رسد: لیپید‌ها برای ایجاد میلین مورد نیاز هستند، اما تجمع آنها در داخل سلول، تشکیل غلاف را مختل می‌کند. توضیح این است که وجود یک ماده و استفاده صحیح از آن دو چیز متفاوت است. سلول باید متابولیسم لیپید، ذخیره سازی و هدف قرار دادن لیپید‌ها را برای عملکرد‌های خاص تنظیم کند. وجود قطرات لیپیدی اضافی به این معنی نیست که این ماده با موفقیت برای میلین سازی استفاده می‌شود.

دانشمندان این اختلال شناسایی‌شده را به تضعیف مسیر سیگنالینگ Wnt مرتبط دانستند. این نامی است که به سیستم تعاملات مولکولی داده شده است که از طریق آن سلول فرآیند‌های خاص و فعالیت ژن را تنظیم می‌کند.

این نوع سیگنال با تکانه‌های الکتریکی نورون‌ها متفاوت است. در این مورد، ما در مورد تنظیم بیوشیمیایی درون سلول‌هایی صحبت می‌کنیم که میلین را ایجاد می‌کنند. در الیگودندروسیت‌های مورد مطالعه با APOE۴، فعالیت این مسیر کاهش یافته بود. هنگامی که محققان توانستند سیگنالینگ مربوطه را بازیابی کنند، تعداد قطرات لیپیدی کاهش یافت و تشکیل میلین بهبود یافت.

بنابراین، این مطالعه بر متابولیسم خود مغز تمرکز دارد. این مطالعه بررسی نکرده است که آیا تغییر مقدار چربی در رژیم غذایی می‌تواند اختلال شناسایی شده را اصلاح کند یا خیر.

چگونه علت شکست پیدا شد

این تیم توسط پروفسور لی-هوی تسای از دانشگاه MIT رهبری می‌شد و نویسنده اصلی این مطالعه لیلا آکای بود. برای شناسایی مکانیسم، دانشمندان از چندین روش استفاده کردند. یکی از آنها غربالگری CRISPR در سطح ژنوم بود. در کشت‌های الیگودندروسیت انسانی با APOE۴، محققان به طور سیستماتیک ژن‌های کدکننده پروتئین را به صورت جداگانه حذف کردند و آزمایش کردند که چگونه این امر بر تجمع قطرات لیپیدی تأثیر می‌گذارد.

به عبارت ساده، دانشمندان به طور سیستماتیک آزمایش کردند که کدام عناصر سیستم سلولی بر این مشکل تأثیر می‌گذارند. این جست‌و‌جو به فرد اجازه می‌دهد فراتر از یک فرضیه از پیش تعیین شده برود: ژنی که محققان در ابتدا به نقش آن مشکوک نبودند، می‌تواند به طور بالقوه قابل توجه باشد.

نکته مهم این است که ویرایش ژن به عنوان یک ابزار تحقیق سلولی مورد استفاده قرار گرفت. دانشمندان ژن درمانی را روی انسان انجام ندادند یا APOE۴ را در بیماران اصلاح نکردند. آنها همچنین دسترسی به مناطق DNA را بررسی کردند. در سلول‌ها، DNA با پروتئین‌ها بسته‌بندی شده است و مناطق مختلف می‌توانند کم و بیش در دسترس باشند. این امر تعیین می‌کند که سلول چقدر آسان می‌تواند از دستورالعمل‌های موجود در آن استفاده کند.

روش ATAC-seq به مقایسه این دسترسی در نمونه‌های دارای APOE۴ و APOE۳ کمک کرد. از کشت سلول‌های انسانی و نمونه‌های مغز پس از مرگ برای تجزیه و تحلیل استفاده شد. ژن‌های پشتیبان سیگنالینگ Wnt در نمونه‌های دارای APOE۴ کمتر در دسترس بودند.

تسای خاطرنشان کرد: «بین نتایج غربالگری ATAC-seq و CRISPR همپوشانی قابل توجهی وجود داشت. هر دو روش نشان‌دهنده اختلال در تنظیم مسیر سیگنالینگ Wnt بودند.»

مرحله بعدی بر روی دو شرکت‌کننده در سیستم Wnt تمرکز داشت - بتا-کاتنین و آنزیم GSK۳β. در مکانیسم مورد مطالعه، اولی از سیگنالینگ پشتیبانی می‌کند، در حالی که دومی آن را سرکوب می‌کند.

در الیگودندروسیت‌های دارای APOE۴، محققان در مقایسه با سلول‌های دارای APOE۳، بتا-کاتنین کمتر و GSK۳β بیشتری یافتند. این امر منجر به آزمایشی شد: بررسی اینکه آیا در صورت مهار فعالیت GSK۳β، متابولیسم لیپید تغییر می‌کند یا خیر.

دانشمندان از نقش احتمالی پپتید P۳ در بیماری آلزایمر خبر داده‌اند

برای این کار، آنها از ترکیب تحقیقاتی CHIR۹۹۰۲۱ استفاده کردند. در کشت‌های سلولی حاوی APOE۴، این ترکیب تجمع قطرات چربی را کاهش داد. سپس دانشمندان به مدل‌های پیچیده‌تری - ارگانوئید‌های سه‌بعدی حاوی نورون‌ها و الیگودندروسیت‌ها - روی آوردند. این ساختار‌ها به فرد امکان مشاهده تعاملات سلول‌های مختلف را می‌دهند، اگرچه آنها یک مغز کامل انسان را تولید نمی‌کنند.

در این مدل‌ها، مهار GSK۳β تشکیل میلین را بهبود بخشید و رشد آکسون را افزایش داد. محققان نتایجی را در رابطه با تجمع لیپید و تشکیل غلاف‌های فیبر عصبی به دست آوردند.

یک آزمایش دیگر اثر معکوسی را نشان داد: درمانی که فعالیت GSK۳β را در سلول‌های APOE۳ مثبت افزایش داد، تعداد قطرات لیپیدی را نیز افزایش داد. این نتیجه، این نتیجه‌گیری را که این مکانیسم نقش دارد، تأیید می‌کند.

آزمایش روی موش‌ها چه چیزی را نشان داد؟

پس از آزمایش‌های سلولی، این رویکرد در موش‌هایی با گونه انسانی APOE۴ و پاتولوژی تاو مهندسی ژنتیکی شده آزمایش شد. این نامی است که به اختلالات مرتبط با پروتئین تاو داده شده است، تغییراتی که مشخصه بیماری آلزایمر هستند.

حیوانات CHIR۹۹۰۲۱ دریافت کردند. در مقایسه با گروه کنترل، قطرات چربی کمتری در هیپوکامپ، ناحیه‌ای از مغز که برای تشکیل حافظه مهم است، داشتند. میلین‌سازی در این ناحیه نیز برجسته‌تر بود.

آزمایش روی حیوانات مهم است، زیرا یک کشت سلولی واحد تمام شرایط یک موجود زنده را بازتولید نمی‌کند. با این حال، مدل موش ویژگی‌های خاصی از بیماری را منعکس می‌کند، نه طیف کامل بیماری آلزایمر در انسان.

کاهش تعداد قطرات چربی و بهبود میلین‌سازی، نتایج تجربی خاصی هستند. این نتایج به طور خودکار به این نتیجه نمی‌رسند که افراد حافظه خود را بازیابند یا پیشرفت زوال عقل را متوقف کنند.

این مطالعه یک هدف بالقوه برای توسعه درمانی را پیشنهاد می‌کند: اختلال در سیگنالینگ Wnt و فعالیت GSK۳β مرتبط. با این حال، چندین سوال اساسی بین مداخله آزمایشگاهی موفق و دارویی برای بیماران باقی می‌ماند.

ایمنی مداخله، روش تحویل مناسب و امکان‌سنجی استفاده طولانی‌مدت باید تأیید شود. هدف جداگانه این است که مشخص شود آیا بهبود میلین‌سازی منجر به نتایج قابل توجهی برای بیمار، مانند حفظ حافظه، استقلال و مهارت‌های زندگی روزمره، خواهد شد یا خیر. CHIR۹۹۰۲۱ در این مطالعه به عنوان یک ابزار تجربی مورد استفاده قرار گرفت. داده‌های به‌دست‌آمده به خودی خود از کاربرد آن پشتیبانی نمی‌کنند.

همچنین لازم به ذکر است که بیماری آلزایمر شامل چندین فرآیند به هم پیوسته است. ویژگی‌های بارز آن شامل تجمع بتا آمیلوئید، تغییرات در پروتئین تاو و اختلال در عملکرد و ارتباط سلولی است. شناسایی یک مکانیسم واحد لزوماً تمام تظاهرات این بیماری را توضیح نمی‌دهد.

اما این نتیجه به ما اجازه می‌دهد تا سوال تحقیقاتی بعدی را دقیق‌تر مطرح کنیم. دانشمندان اکنون این فرصت را دارند که آزمایش کنند که آیا یک مسیر مولکولی خاص می‌تواند عملکرد سلول‌هایی را که از فیبر‌های عصبی پشتیبانی می‌کنند، بهبود بخشد یا خیر.

نویسندگان قصد دارند بیشتر مطالعه کنند که چگونه از دست دادن فعالیت Wnt متابولیسم لیپید را تغییر می‌دهد، و همچنین رابطه بین تغییرات GSK۳β و پروتئین تاو را بررسی کنند. آکای و تسای بر اساس نتایج غربالگری CRISPR درخواست ثبت اختراع ارائه داده‌اند. خود این درخواست، اثربخشی درمان آینده را تأیید نمی‌کند؛ این موضوع باید جداگانه ارزیابی شود.

این مطالعه جدید درک ما از بیماری آلزایمر را گسترش می‌دهد: وضعیت خود نورون‌ها و سلول‌هایی که غلاف میلین آنها را تشکیل می‌دهند برای حفظ ارتباطات عصبی ضروری است. اختلال در این هم‌افزایی موضوع آزمایش و راهی احتمالی برای تحقیقات درمانی بیشتر شد.