Расстройство аутистического спектра связано с сотнями различных генов, но то, как различные генетические мутации сходятся в сходной патологии у пациентов, оставалось загадкой. Теперь исследователи из Гарвардского университета и Института Броуда Массачусетского технологического института обнаружили, что три разных гена риска аутизма влияют на сходные аспекты формирования нервной системы и на одни и те же типы нейронов в развивающемся мозге человека. Тестируя генетические мутации в миниатюрных 3D-моделях человеческого мозга, называемых «органоидами мозга», исследователи выявили схожие общие дефекты для каждого гена риска, хотя каждый из них действовал через уникальные лежащие в основе молекулярные механизмы.
Результаты, опубликованные 2 февраля 2022 года в журнале «Nature», дают исследователям лучшее понимание расстройств аутистического спектра и являются первым шагом к поиску методов лечения этого состояния.
«Большие усилия в этой области направлены на то, чтобы понять, существуют ли общие черты среди генов риска, связанных с аутизмом. Их обнаружение поможет выявить общие цели для широкого терапевтического вмешательства, независимого от генетического происхождения заболевания. Наши данные показывают, что множественные мутации заболевания действительно концентрируются на воздействии на одни и те же клетки и процессы развития, но через разные механизмы. Эти результаты побуждают к будущим исследованиям терапевтических подходов, направленных на модуляцию общих дисфункциональных свойств мозга», — рассказала главный автор исследования Паола Арлотта, профессор по стволовым клеткам и регенеративной биологии в Гарвардском университете и член института Центра психиатрических исследований в Институте Брода.
Лаборатория Арлотты специализируется на органоидных моделях коры головного мозга человека, части мозга, отвечающей за познание, восприятие и язык. Модели начинаются со стволовых клеток, а затем вырастают в трехмерную ткань, содержащую многие типы клеток коры, в том числе нейроны, способные активироваться и соединяться в цепи.
«В 2019 году мы опубликовали метод, позволяющий производить органоиды с уникальной способностью к воспроизводимому росту. Они постоянно формируют те же типы клеток в том же порядке, что и развивающаяся кора головного мозга человека. Теперь наша мечта сбылась и мы можем использовать органоиды для открытия чего-то нового и неожиданного в таком сложном заболевании, как аутизм», — рассказала Сильвия Веласко, старший научный сотрудник лаборатории Арлотты и соавтор нового исследования.
В новом исследовании ученые создали органоиды с мутацией в одном из трех генов риска аутизма, которые называются SUV420H1 (также известном как KMT5B), ARID1B и CHD8.
Исследователи выращивали органоиды в течение нескольких месяцев, точно моделируя прогрессивные стадии формирования коры головного мозга человека.
Фото: Лаборатория Паолы Арлотты в Гарвардском университете и лаборатория Квангун Чанг в Массачусетском технологическом институте.
Затем они проанализировали органоиды, используя несколько технологий:
- Секвенирование одноклеточной РНК и одноклеточное секвенирование ATAC для измерения изменений и регуляции экспрессии генов, вызванных каждой мутацией заболевания;
- Протеомика для измерения реакции белков;
- Визуализация кальция, чтобы проверить, отражаются ли молекулярные изменения в аномальной активности нейронов и их сетей.
Фото: лаборатория Паолы Арлотты в Гарвардском университете и лаборатория Эдварда Бойдена в Массачусетском технологическом институте.
Исследователи обнаружили, что все гены риска одинаково воздействуют на нейроны, ускоряя или замедляя их развитие. Другими словами, нейроны развились не в то время. Кроме того, не все клетки были затронуты — скорее, все гены риска воздействовали на одни и те же популяции нейронов:
- тормозящий тип или ГАМКергические нейроны,
- возбуждающий тип или возбуждающие проекционные нейроны глубокого слоя.
Что указывает на отдельные клетки, которые могут быть особыми мишенями при аутизме.
«Кора устроена очень организованно: каждый тип нейронов появляется в определенный момент, и они очень рано начинают соединяться. Если же у вас есть некоторые ячейки, формирующиеся слишком рано или слишком поздно по сравнению с тем, когда они должны быть, то это изменит подключение сетей», — сказала Мартина Пигони, научный сотрудник лаборатории Арлотты.
В дополнение к тестированию различных генов риска, исследователи также создали органоиды, используя стволовые клетки от разных доноров, чтобы увидеть, как на изменения в органоидах может повлиять уникальный генетический фон человека
При рассмотрении органоидов, полученных от разных доноров, общие изменения в развитии нервной системы были схожими, но уровень серьезности варьировался у разных людей. Эффекты генов риска были точно настроены остальной частью донорского генома.
«Удивительно, как одни и те же мутации гена риска аутизма часто демонстрируют различные клинические проявления у пациентов. Мы обнаружили, что различные геномные контексты человека могут модулировать проявление фенотипов аутизма в органоидах, предполагая, что мы сможем использовать органоиды в будущем, чтобы распутать эти различные генетические вклады и приблизиться к более полному пониманию сложной патологии», — сказала Арлотта.
«Это исследование стало возможным только благодаря сотрудничеству нескольких лабораторий, которые собрались вместе, каждая со своим опытом, для решения сложной проблемы с разных сторон», — сказал соавтор Джошуа Левин, научный сотрудник института.
Генетические исследования оказались чрезвычайно успешными в выявлении изменений в геноме, связанных с расстройствами аутистического спектра и другими нарушениями развития нервной системы. Следующим шагом на пути к открытию новых методов лечения — понять, что именно эти мутации делают с развивающимся мозгом.
Отображая изменения в мозговых цепях при наличии генетических вариаций, ученые могут сделать предварительный следующий шаг в направлении более точной диагностики и открыть новые возможности для терапевтических исследований.
Вывод
Каждая из трех мутаций обеспечивает асинхронное развитие двух основных линий корковых нейронов — нейронов, высвобождающих γ-аминомасляную кислоту (ГАМКергические) и возбуждающих проекционных нейронов глубокого слоя, — но действует через в значительной степени разные молекулярные пути. Хотя эти фенотипы согласуются между клеточными линиями, на их экспрессивность влияет индивидуальный геномный контекст таким образом, который зависит как от гена риска, так и от дефекта развития. Визуализация кальция в интактных органоидах показывает, что за этими изменениями развития на ранней стадии следует аномальная активность цепи.
Paola Arlotta, Autism genes converge on asynchronous development of shared neuron classes, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04358-6
