Одним из самых грубых заблуждений касательно психического здоровья является мысль, что психика не имеет ничего общего с физическим миром, т. е. с органами, тканями и клетками. Любые отклонения или жалобы воспринимаются как выдумки, накручивание себя и проявления слабости духа, а самым лучшим лекарством является свежий воздух и, судя по всему, игнорирование проблемы. Нет необходимости говорить, но все это полная чуть, а люди, так считающие, вероятнее всего не обременены тяготами интеллекта. Нарушения в работе мозга, в химическом балансе и даже физические травмы в той или иной степени влияют на психическое состояние человека. Ученые из Медицинского центра имени Ирвинга в Колумбийском университете (Нью-Йорк, США) обнаружили, что у людей, страдающих депрессией, наблюдается нарушение образования новых нейронов в гиппокампе. Как ученым удалось это установить, и насколько пагубным может быть такое нарушение? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Большое депрессивное расстройство (MDD от major depressive disorder) представляет собой серьезную глобальную проблему здравоохранения и проявляется аффективными, нейровегетативными и когнитивными симптомами, включая смещение воспоминаний в сторону негативного содержания — когнитивный маркер тяжести депрессии. Разделение сходных воспоминаний у грызунов зависит от нейрогенеза во взрослом гиппокампе (AHN от adult hippocampal neurogenesis). Было показано, что эта функция временно нарушается у пациентов, проходящих локальное облучение гиппокампа при лечении доброкачественной кавернозной менингиомы, что, вероятно, связано с подавлением AHN. Несмотря на растущее число данных о том, что AHN может происходить и в мозге взрослого человека, его клиническое значение остается предметом дискуссий, а молекулярный атлас функциональных состояний клеток нейронных цепей гиппокампа при MDD до сих пор отсутствует.

Результаты исследования

Изображение №1

Чтобы проследить траектории нейрогенеза, определить клеточные состояния гиппокампа и особенности функционирования его нейронных цепей при MDD, ученые объединили секвенирование транскриптома отдельных ядер и доступности хроматина, пространственную транскриптомику и региональную протеомику у пациентов с MDD, не получавших медикаментозного лечения, и у нейротипичных лиц без психиатрических заболеваний из контрольной группы (CTRL; 1a). Эта мультимодальная характеристика крупнейшего на сегодняшний день набора данных по гиппокампу человека позволила выявить нейрогенную клеточную линию во взрослом гиппокампе человека и получить свидетельства остановки нейрогенеза при MDD.

Трехсинаптическая цепь памяти гиппокампа, включающая зубчатую извилину (DG от dentate gyrus) и области аммонова рога (CA от cornu ammonis), характеризовалась нарушением баланса между возбуждением и торможением, синаптической пластичности и нейротрансмиссии, обусловленным изменениями транскрипционной и эпигенетической регуляции. Во всех типах клеток также наблюдались нарушения регуляции длинных некодирующих РНК, клеточный стресс, ухудшение внутриклеточного транспорта, дисфункция серотонинергической и глутаматергической систем и нейровоспаление.

Мультиомный атлас разнообразия типов клеток гиппокампа взрослого человека

Используя секвенирование РНК отдельных ядер и анализ доступного для транспозазы хроматина (ATAC от assay for transposase-accessible chromatin), ученые профилировали около 500000 ядер из областей DG и CA гиппокампа пациентов с MDD и участников контрольной группы. Был выявлен 31 клеточный кластер, включая гранулярные клетки (GC от granule cell), GABA-ергические нейроны (InN), возбуждающие нейроны (ExN) и астроциты (Astro; 1b–1f).

Клеточные кластеры были анатомически картированы по субполям гиппокампа путем интеграции данных snMultiome с данными пространственной транскриптомики Visium и Xenium на уровне отдельных клеток (10x Genomics; 1g–1j), полученными на соседних срезах ткани. Два подтипа возбуждающих нейронов локализовались в полях CA, а пять — в субикулуме (1g, 1h). Кластер Astro1 преимущественно соответствовал молекулярному слою DG и областям CA, тогда как Astro2 преобладал в нейрогенных нишах субвентрикулярной и субгранулярной зон (SGZ от subgranular zone), а также в CA4 (1i). Кластеры тормозных нейронов демонстрировали специфичное для отдельных слоев распределение и включали PENK⁺-кластер, сходный со средними шипиковыми нейронами (InN5.PENK), который был обогащен в хвостатом и чечевицеобразном ядрах (1j).

Среди пяти кластеров гранулярных клеток кластер GC2 был обогащен клетками с незрелым транскрипционным профилем, включавшим экспрессию BHLHE22, кодирующего транскрипционный фактор (TF от transcription factor), необходимый для дифференцировки нейронов (вариант этого гена был связан с тяжелой депрессией у ветеранов); POSTN, кодирующего белок внеклеточного матрикса (ECM от extracellular matrix), участвующий в клеточной адгезии, миграции и прогрессировании глиомы; PTGFR, кодирующего онкоген, усиливающий пролиферацию и миграцию клеток; а также FST, необходимого для нейрогенеза, обучения, памяти и долговременной потенциации в гиппокампе.

Кластер Astro2, локализованный в SGZ, экспрессировал гены, участвующие в клеточной пролиферации (AEBP1), дифференцировке (ACKR3), прогрессировании опухолей (ADGRG1), инвазии и метастазировании (ACTL6A), ремоделировании внеклеточного матрикса и организации клеточной ниши (протеиназы семейства ADAMTS), а также в нейроразвитии посредством глутаматных NMDA-рецепторов и сигнального пути mTOR (RELN).

Во взрослом гиппокампе человека сохраняется нейрогенная траектория

Изображение №2

Учитывая незрелые признаки кластеров GC2 и Astro2, известное транскрипционное сходство между нейральными стволовыми клетками (NSC от neural stem cell) и астроцитами, а также ранее выявленные предполагаемые незрелые гранулярные клетки в составе кластеров GC, ученые исследовали наличие нейрогенного потомства путем выделения и повторной кластеризации кластеров GC и Astro. В результате была выявлена предполагаемая нейрогенная клеточная линия, экспрессирующая канонические и специфичные для приматов маркеры нейрогенеза. К покоящимся NSC относились клетки с повышенной экспрессией SOX2 и PAX6 (NSCa), тогда как активированные NSC экспрессировали NES и ASCL1 (NSCb). Промежуточные нейральные клетки-предшественники (INP от intermediate neural progenitor) экспрессировали NEUROD6, TUBB3 и STMN2. Нейробласты (Nb от neuroblast) экспрессировали DCX, RELN и CALB2, а также связанный с нейробластомой ген NELL1 и ST8SIA2, экспрессирующийся в процессах нейропластичности и созревания. Два кластера незрелых гранулярных клеток (ImGC) экспрессировали PROX1, NEUROD2 и FABP7. Один из них был обогащен известными маркерами ImGC — NEUROD1, TUBB3, STMN1 и STMN2 (ImGC1), тогда как другой (ImGC2) экспрессировал BHLHE22, POSTN и SOX11 — маркер нейронально коммитированных клеток-предшественников, связанный с шизофренией (2a, 2b).

Дальнейший анализ обогащения генами, специфичными для отдельных стадий, показал, что NSCa характеризовались высокой экспрессией RMST (взаимодействующего с SOX2 при регуляции нейрогенеза), LAMA2 и HEY2 (еще одного транскрипционного фактора семейства BHLH), причем оба последних гена участвуют в нейроразвитии. NSCb были обогащены ID3 и HSBP8, необходимыми для клеточной пролиферации. ImGC2 были обогащены FEZF2, регулирующим идентичность подтипов нейронов в ходе развития, и EPHA3 — терапевтической мишенью при медуллобластоме, которая регулирует полисиалилирование NCAM и участвует в нейропластичности и нейрогенезе.

Валидация траектории нейрогенеза с помощью ранговой оценки сигнатур и анализа клеточных траекторий показала последовательное развитие от NSC через INP и NB к ImGC1 с последующим разветвлением на два пути: один в направлении зрелых GC, а другой — к ImGC2. Возможный путь от зрелых GC к ImGC2 указывает на дематурацию GC — явление, описанное у игрунок (Callitrichidae). Кроме того, некоторые траектории от ImGC1 и GC ведут к GC4 — кластеру с сигнатурами поглощения клеток микроглией, что, возможно, отражает апоптоз и/или связанное с нейрогенезом удаление избыточных клеток.

По мере продвижения по псевдовремени экспрессия маркеров клеток-предшественников снижалась, тогда как экспрессия маркеров нейрональной дифференцировки и созревания возрастала (2f). Дополнительные методы анализа траекторий подтвердили два возможных варианта клеточной судьбы: один в направлении зрелых GC и другой — к ImGC2, которые на наиболее позднем этапе псевдовремени сохраняли повышенную экспрессию маркеров клеточного роста и нейропластичности FST, BHLHE22 и POSTN. Напротив, на траектории, заканчивающейся зрелыми GC, наблюдалась высокая экспрессия маркеров зрелых нейронов (RBFOX3 и SYT1; 2g).

Стадийно-специфические транскрипционные факторы регулируют нейрогенную траекторию

Ученые оценили регуляторные программы вдоль нейрогенной траектории с помощью анализа футпринтинга транскрипционных факторов (TF) по данным ATAC. Стадийно-специфические паттерны связывания TF охватывали этапы от поддержания NSC до нейрональной дифференцировки (2h).

NSC демонстрировали повышенную активность связывания канонических регуляторов стволовых свойств SOX2, PAX6 и TLX/NR2E1 — рецептора, связывание которого с олеиновой кислотой запускает нейрогенез. Для NSCa было характерно преимущественное связывание связанных с нейроразвитием факторов, подобных Крюппелю (KLF4 и KLF9), тогда как NSCb характеризовались связыванием нейронального TF семейства BHLH — ASCL1, связанных с Notch TF, поддерживающих недифференцированное пролиферативное состояние (HES1, HES5 и HEY1), а также генов немедленного раннего ответа (FOS и JUN). В INP связывание TF смещалось в сторону спецификации клеточной линии с участием семейств гомеобоксных факторов развития (HOX, DLX, LHX, EMX и GBX), тогда как NB характеризовались связыванием TF, способствующих нейрональной дифференцировке (TFAP2, SP8, GLIS2 и NHLH2).

Оба кластера ImGC демонстрировали повышенное связывание TF, способствующих ветвлению дендритов, формированию дендритных шипиков и синапсов (CUX1 и CUX2). Для ImGC1 была характерна активность TF, связанных с дифференцировкой (SMAD3 и NEUROG2), тогда как ImGC2 были обогащены мотивами связывания BHLHE22, редкий вариант которого связан с тяжелой депрессией, и ZBTB7B — пермиссивного регулятора, связанного с опухолевыми процессами. Наконец, в GC связывание TF сходилось на KLF15, кодирующем регулируемый глюкокортикоидами TF, участвующий в синаптической пластичности и нейрональной дифференцировке.

Анализ регулонов TF (PySCENIC; 2i) выявил динамические изменения активности регулонов TF между клеточными кластерами. SOX2 был активен в астроцитах и еще более выраженно — в NSCa, PAX6 — в NSCa и NSCb, а ASCL1 проявлял более высокую активность в NSCb. В то же время KLF9, участвующий в регуляции дендритных шипиков и нейрогенеза и реагирующий на стрессовые воздействия, был более активен при переходе от INP к NB. ELK1, функционально взаимодействующий с фактором риска аутизма CHD8 при регуляции экспрессии генов и состояний хроматина в генах-мишенях MAPK/ERK, проявлял наибольшую активность в ImGC1, тогда как BHLHE22, варианты которого связаны с депрессией, был наиболее активен на стадии ImGC2.

Нейрогенные клетки взрослого гиппокампа имеют общие транскрипционные признаки с клетками-предшественниками гиппокампа плода

Ученые дополнительно подтвердили предполагаемые нейрогенные кластеры взрослого гиппокампа, интегрировав их транскрипционные профили с данными по гиппокампу плода. В гиппокампе плода были выявлены популяции нейральных клеток-предшественников, экспрессировавшие ASCL1 вместе с маркерами пролиферации PCNA, MCM2 и MKI67 (P1), маркерами, характерными для астроглии, AQP4 и GFAP (P2), а также маркерами, характерными для INP и ImGC, NEUROD1, NEUROD2 и NELL1 (P3). Предполагаемые нейрогенные кластеры взрослого гиппокампа совместно распределялись с клетками-предшественниками гиппокампа плода в пространстве UMAP (от Uniform Manifold Approximation and Projection), что указывало на их транскрипционное сходство: взрослые NB располагались между популяциями P1 и P3 гиппокампа плода, взрослые ImGC1 и ImGC2 — вместе с GC плода, а астроглиеподобная популяция P2 гиппокампа плода — между взрослыми NSC и INP.

Пространственная транскриптомика подтверждает клеточную траекторию в зубчатой извилине

Неконтролируемая кластеризация данных Visium v1 и v2 позволила выявить пространственные кластеры, включая кластер слоя гранулярных клеток (GCL; gcl), кластер субгранулярной зоны и молекулярного слоя (sgz.ml), кластер субгранулярной зоны и полиморфного слоя (sgz.pl), а также пространственные кластеры, связанные с областями CA (ca.1, ca.2, ca.3–4, ca.1–4a и ca.1–4b), слоями гиппокампа (oriens, lucidum и radiatum), субикулумом, аксонами, дендритами, сосудистым сплетением и кластерами, обогащенными маркерами тормозных нейронов (InN), сосудистой системы и внеклеточного матрикса.

Ученые применили анализ транскрипционной динамики к пространственным данным Visium v1, чтобы исследовать траекторию между пространственными кластерами SGZ и GCL, которая могла отражать миграцию нейрогенного потомства. Были выявлены траектории от sgz.pl и sgz.ml к gcl. Их существование подтверждалось методом абстракции графа на основе разбиения (PAGA от partition-based graph abstraction), отображавшим связи между этими кластерами, а также анализом латентного времени, которое изменялось в направлении от sgz.ml к sgz.pl и достигало наиболее поздней стадии в gcl.

Пространственная валидация экспрессии маркеров нейрогенеза

Экспрессию маркеров нейрогенной клеточной линии подтвердили в ткани гиппокампа взрослого человека. С помощью пространственной транскриптомики Xenium ученые выявили в SGZ РНК-маркеры NSCa (ASCL1/NES/PAX6/SOX2), NSCb (MKI67/NES/PCNA/RELN/TUBB3) и NB (CALB2/DCX/NELL1/RELN). В то же время РНК-маркеры ImGC2 (BHLHE22/FEZF2/FST/POSTN) экспрессировались в клетках, расположенных в GCL, что подтверждает предположение о том, что зрелые GC, уже мигрировавшие в GCL, могут повторно экспрессировать маркеры незрелости.

Как было показано ранее, в клетках SGZ выявлялась экспрессия белков nestin, Ki67 и doublecortin. При этом РНК doublecortin экспрессировалась примерно в десять раз большем числе клеток, чем соответствующий белок, что указывает на посттранскрипционную регуляцию и меньшую клеточно-типовую специфичность экспрессии РНК по сравнению с экспрессией белка.

Остановка нейрогенеза при MDD

Изображение №3

Анализ нейрогенной траектории по псевдовремени при сравнении MDD и CTRL выявил при MDD смещение распределения клеток, характеризующееся увеличением числа NSCa и уменьшением числа NB (3a–3c). Это указывает скорее на нарушение прогрессирования нейрогенеза, чем на истощение популяции стволоподобных клеток. Кроме того, при MDD характерные для отдельных стадий генные сигнатуры проявлялись с задержкой в NSC и были менее выражены в NB (3d).

Валидационные исследования показали, что при MDD в SGZ было меньше клеток, экспрессирующих белки nestin и Ki67, чем в контрольной группе. Это согласуется с замедленным переходом NSC к следующим стадиям, при котором преимущественно сохраняется состояние NSCa, а не происходит пролиферация NSCb.

В DG при MDD было меньше клеток, коэкспрессирующих РНК DCX/TUBB3 и экспрессирующих белок doublecortin, что соответствует уменьшению числа NB. Число клеток, экспрессирующих РНК-маркеры ImGC2 PROX1/BHLHE22/POSTN, не различалось между группами, что подтверждает отсутствие изменений доли ImGC2 при MDD.

Молекулярные механизмы нарушения нейрогенеза во взрослом гиппокампе при MDD

Чтобы исследовать молекулярные механизмы, лежащие в основе остановки AHN при MDD, ученые проанализировали профили экспрессии генов в нейрогенных популяциях в MDD и в контрольной группе. На ранних стадиях нейрогенеза (NSCa, NSCb и INP) при MDD наблюдалась более высокая экспрессия генного модуля, обогащенного генами интерферон-связанных сигнальных путей (3e–3g). Этот модуль включал гены, связанные с интеллектуальной недостаточностью (EIF2AK2), болезнью Альцгеймера (IFIT3), нейровоспалительными заболеваниями, такими как системная красная волчанка (HERC6 и NRIR), а также COVID-19 (NRIR), которые могут сопровождаться аффективными и когнитивными симптомами (3f).

Кластерный анализ дифференциально экспрессируемых генов (DEG от differentially expressed gene) при сравнении MDD и CTRL (3h, 3i) выявил восемь интерферон-связанных генов, экспрессия которых была нарушена при MDD в NSCa, NSCb, INP и ImGC1. Среди них отмечалась повышенная экспрессия связанного с болезнью Альцгеймера SEMA6D, регулирующего функцию микроглии, и связанного с боковым амиотрофическим склерозом ITM2A. Среди генов со сниженной экспрессией в NSCa и INP при MDD были гены, варианты которых связаны с интеллектуальной недостаточностью (AFF3 и KCND2) и воспалительными заболеваниями кишечника (XKR6). В INP, NB, ImGC1 и ImGC2 также была снижена экспрессия SCART1 — гена иммунного надзора, регулирующего интерлейкин-17 (IL-17) и играющего патогенетическую роль при псориатическом артрите, который также ассоциирован с аффективными симптомами.

В соответствии с усиленным стрессовым ответом при MDD в NSCa и INP была повышена экспрессия белков теплового шока, участвующих в клеточном апоптозе и старении. В NSCa и NSCb при MDD также была повышена экспрессия генов немедленного раннего ответа JUN, EGR1 и FOS, которые играют важную роль в синаптической пластичности, обучении, памяти, ответе нейронов на повреждение, клеточной пролиферации, дифференцировке, трансформации и апоптозе.

На промежуточных стадиях нейрогенной траектории при MDD была нарушена регуляция факторов нейрогенеза. В INP наблюдалась сниженная экспрессия NELL1, POSTN и металлопротеиназ ADAMT, важных для функционирования нейрогенной ниши и клеточного роста и связанных с нейродегенеративными и психическими заболеваниями. В INP была повышена экспрессия SOX9, который способствует глиальной дифференцировке, переключая развитие клеток с нейронального на глиальное направление и подавляя нейрогенез. Кроме того, в INP была повышена экспрессия маркера клеток-предшественников ETNPPL, что также указывает на замедление нейрогенеза. В NB, число которых при MDD было снижено, уменьшалась экспрессия DCX и трофического фактора BDNF, что свидетельствует о нарушении трофической поддержки. Уровень катенинов, участвующих в сигнальном пути Wnt и клеточной адгезии, при MDD был повышен в NSCa и снижен в ImGC2 и ImGC1.

Интеграция данных транскриптомики отдельных ядер и пространственной транскриптомики для клеточных кластеров нейрогенной траектории и кластеров ниши SGZ (sgz.ml и sgz.pl) выявила согласованное повышение активности интерфероновой сигнализации и врожденного иммунного ответа (IFITM3, MX1 и COL5A3), а также подавление клеточного роста (MT1M и APCDD1). Среди DEG, связанных с нейрогенной нишей, отмечалась повышенная экспрессия HPCAL1, участвующего в связывании кальция, нейротрансмиссии и сигнальном пути Wnt. Напротив, экспрессия маркера GC CALB1, характерного для зрелых нейронов и участвующего в регуляции кальциевого гомеостаза, синаптической пластичности и памяти, была снижена в нескольких пространственно определенных субполях.

Лишь немногие DEG со сниженной экспрессией в клеточных и пространственных кластерах совпадали с локусами, выявленными в полногеномных исследованиях ассоциаций (GWAS от genome-wide association study) для MDD. К ним относились онкоген SAMD5, изменения которого ранее были обнаружены в ткани мозга при MDD, связанный с синаптогенезом CSMD3, участвующий в кальций-зависимой клеточной адгезии CDH9, ассоциированный с аутизмом и болезнью Альцгеймера, а также связанный с функцией щитовидной железы TRHDE (3j). Кроме того, связанный с функцией щитовидной железы ген TTR, экспрессия которого была снижена в NSCb, NB и ImGC2, кодирует транстиретин, транспортирующий гормоны щитовидной железы, в частности тироксин, и витамин A (ретинол) через кровоток и спинномозговую жидкость. Мутации TTR приводят к транстиретиновому амилоидозу, при котором неправильно свернутые белки накапливаются в сердце и нервной системе. Ранее сообщалось о снижении уровня транстиретина в спинномозговой жидкости при MDD и его связи с обменом серотонина и суицидальными мыслями.

Снижение нейропластичности нейронных цепей гиппокампа при MDD

Изображение №4

Чтобы определить молекулярные механизмы снижения пластичности нейронных цепей гиппокампа и ослабления функций памяти при MDD, ученые исследовали молекулярные изменения во всех клеточных и пространственных кластерах (4a–4c). В PENK1⁺-кластере GABA-ергических нейронов, сходных со средними шипиковыми нейронами (InN5.PENK), было выявлено 566 DEG, что являлось наибольшим числом среди всех клеточных кластеров; далее следовали GC1 с 378 DEG и ExN1.CA1-4.FIBCD1 со 147 DEG.

Общие нарушенные сигнальные пути в нейрогенных клетках, зрелых клеточных кластерах и пространственных кластерах при MDD включали серотонинергические пути, внутриклеточный транспорт, глутаматергическую сигнализацию, аполипопротеины, длинные некодирующие РНК и нейровоспаление (3h, 3i и 4a–4c).

В пользу участия серотонинергической системы в MDD свидетельствует то, что в INP была снижена экспрессия связанного с нейрогенезом HTR4 и связанного с суицидом HTR1E. В ImGC1 была снижена экспрессия HTR7, способствующего нейрогенезу, росту нейритов и созреванию дендритных шипиков; в пространственных субполях была снижена экспрессия HTR2A и HTR2C, тогда как в InN.PENK экспрессия HTR1D была повышена.

Четырнадцать генов семейства переносчиков растворенных веществ (SLC от solute-carrier), предложенных в качестве биомаркеров MDD, имели сниженную экспрессию в NSCb, INP, NB, ImGC1, ImGC2 и ExN1.CA1-4.FIBCD1, тогда как экспрессия девяти таких генов была повышена в INP и NB. Экспрессия RAB6B, который в исходном исследовании отнесен к SLC и кодирует белок, участвующий в ретроградном транспорте из аппарата Гольджи в эндоплазматический ретикулум, была повышена в InN5.PENK. Экспрессия CLTCL1, необходимого для эндоцитоза и нейроразвития и связанного с аутизмом при делеции 22q11.2, была повышена в ExN1.CA1-4.FIBCD1. В то же время экспрессия DISC1, регулирующего внутриклеточный транспорт и динамику микротрубочек, нарушения которого связаны с шизофренией, была снижена в GC1.

Экспрессия ионотропных глутаматных рецепторов AMPA и NMDA, а также метаботропных глутаматных рецепторов была снижена при MDD в NSCa, NSCb, INP, ImGC1, NB и GC1, а также в нескольких пространственных кластерах. Глутаматергическая сигнализация имеет ключевое значение для синаптической пластичности и поддержания баланса между возбуждением и торможением и тесно связана с патогенезом MDD.

Среди генов аполипопротеинов экспрессия APOE, участвующего в липидном гомеостазе и восстановлении нейронов, была повышена в NSCa и INP, но снижена в ImGC2. В различных клеточных и пространственных кластерах при MDD была повышена экспрессия APOL2 и APOD, связанных с клеточным старением, а в GC1 — APOL6, индуцирующего митохондриально-опосредованную гибель клеток посредством ферроптоза. В то же время в ExN1.CA1-4.FIBCD1 была снижена экспрессия антиапоптотического BCL2.

Регуляция длинных некодирующих РНК была нарушена в большинстве клеточных кластеров, включая INP, NB, ImGC1, ImGC2, InN.PENK, GC1 и ExN1.CA1-4.FIBCD1. Примечательно, что LINC01515 и LINC02315, экспрессия которых была повышена при MDD, ранее были выявлены в GWAS как локусы, связанные с аутизмом, психическими расстройствами в японской популяции и суицидом в индийской популяции.

Как и в нейрогенных кластерах, в GC1 и ExN1.CA1-4.FIBCD1 была повышена интерфероновая сигнализация, включая повышение экспрессии ISG15, MX1, CXCL12, ранее связанного с нейровоспалением при MDD, и MAT2B, участвующего в повреждении гематоэнцефалического барьера и апоптозе. В то же время экспрессия SCART1, участвующего в иммунном контроле, была снижена в нейрогенных кластерах, InN5.PENK и GC1. Также наблюдалось снижение противовоспалительной сигнализации с участием белков, содержащих Sushi-домен, а экспрессия SEMA6D, регулирующего функцию микроглии при болезни Альцгеймера, была снижена в NSCb, INP и ExN1.CA1-4.FIBCD1 (4b).

Характерной особенностью InN5.PENK была повышенная экспрессия проэнкефалина, предшественника энкефалинов, регулирующих восприятие боли, стрессовые реакции и эмоциональную регуляцию, а также генов немедленного раннего ответа ARC, FOS, JUNB, EGR и JAG1, экспрессия которых возрастает при нейрональной активности и развитии клеток. В InN5.PENK также была повышена экспрессия генов, связанных с нейроразвитием, включая NNAT, CAMKV, гены микротубул-ассоциированных белков, варианты которых связаны с микроцефалией, интеллектуальной недостаточностью и эпилепсией, CYFIP2, связанный с эпилептической энцефалопатией, NPTN, связанный с аутизмом, а также тяжелые, средние и легкие цепи нейрофиламентов, являющиеся биомаркерами бокового амиотрофического склероза и повреждения нейронов. Напротив, экспрессия RELN, регулирующего нейропластичность и рост дендритов, в InN5.PENK была снижена.

Примечательно, что экспрессия KRAS, участвующего в долговременной потенциации, а также в зависимых от гиппокампа обучении и памяти, была повышена в GC1, но снижена в нескольких пространственных кластерах (4b, 4c), что потенциально может отражать различия между ядерной и цитоплазматической экспрессией.

Экспрессия РНК HOMER1, кодирующего постсинаптический каркасный белок, участвующий в синаптической пластичности и формировании структуры дендритов и связанный с биполярным расстройством, была снижена в ExN1.CA1-4.FIBCD1 (4b).

Анализ обогащения наборов генов (GSEA от gene set enrichment analysis) с использованием DEG, выявленных как при транскриптомике отдельных ядер, так и при пространственной транскриптомике, показал нарушения клеточного развития, процессов клеточного стресса и гибели, внутриклеточной сигнализации и синаптической функции, иммунного ответа, метаболизма, внеклеточного матрикса и регуляции экспрессии генов в нейронных цепях гиппокампа при MDD (4d).

Для характеристики сетей регуляции генов был проведен высокоразмерный взвешенный анализ сетей коэкспрессии генов (hdWGCNA от high-dimensional weighted gene coexpression network analysis) (4e–4g). Наиболее значимый корегулируемый генный модуль hdWGCNA, связанный с MDD в GC1, выявил нарушения трансляции, клеточной миграции, направленного роста аксонов (ROBO) и ответа на клеточное голодание. Центральные гены этой сети участвовали в сборке рибосом и трансляции (например, RPL, RPS, EIF4A2 и EEF1A1), внутриклеточном транспорте и структурной пластичности (TUBA4A, TUBB2A и ACTB), а также в клеточном стрессовом ответе (белки теплового шока; 4e).

В ExN1.CA1-4.FIBCD1 наиболее значимый связанный с MDD генный модуль включал NMDA-рецепторы, высвобождение дофамина и серотонина, долговременную потенциацию, межклеточные контакты и межклеточную коммуникацию. Центральными генами сети коэкспрессии были гены рецепторов HTR2C и GRM1, потенциал-зависимых кальциевых каналов (CACNA2D3) и гены, связанные с синаптической функцией (4f).

В InN5.PENK наиболее значимый связанный с MDD модуль подтвердил нарушения глутаматергической и GABA-ергической нейротрансмиссии, синаптической функции, долговременной потенциации и межклеточных контактов. Центральными генами сети были GABRB1 и GRIK2 (4g).

Изменения протеома указывают на нарушения внутриклеточного транспорта, развития и нейротрансмиссии при MDD

Изображение №5

Чтобы определить, отражаются ли транскрипционные изменения при MDD на уровне белков, ученые провели высокоразрешающую панорамную протеомику в образцах передней части гиппокампа, включавших области DG и CA (5a). Было выявлено 297 дифференциально экспрессируемых белков (DEP) при MDD (5b), включая кальбиндин, уровень которого был снижен. Кальбиндин регулирует кальциевый гомеостаз, синаптическую пластичность и память. Экспрессия его РНК также была снижена в пространственных кластерах gcl, sgz.ml, sgz.pl, ca.1, ca.2–4, аксонов и лучистого слоя. Функциональные группы DEP подтвердили нарушения тех же путей, которые были выявлены при интеграции DEG из клеточных и пространственных кластеров при MDD (5c).

Интеграция данных протеома и транскриптома отдельных ядер (5d, 5e) позволила выявить гены с нарушенной регуляцией как на уровне РНК, так и на уровне белка. Среди них были повышены RAB6B, связанный с внутриклеточным транспортом и аппаратом Гольджи; представитель семейства переносчиков растворенных веществ SLC25A, являющийся биомаркером ответа на лечение при MDD; CLTCL1, связанный с аутизмом при делеции 22q11.2; NPTN, участвующий в кальциевом гомеостазе, синаптической пластичности, нейроразвитии и нейротрансмиссии и связанный с аутизмом; CAMKV, участвующий в поддержании дендритных шипиков; CYFIP2, регулирующий динамику цитоскелета и раннее развитие коры; HPCAL1, регулирующий кальциевую сигнализацию, синаптическую передачу и клеточную дифференцировку; связанные с митохондриями PSAP и MDH1, важные для окислительного фосфорилирования; а также MAT2B, способствующий нейровоспалению посредством метилирования.

Снижение экспрессии РНК и белка ACYP2, участвующего в клеточном развитии и дифференцировке, связывает нарушения метаболизма ATP, длины теломер и возрастные клеточные изменения с MDD.

Экспрессия РНК HOMER1, регулирующего синаптическую пластичность и имеющего однонуклеотидный полиморфизм, связанный с ответом на антидепрессанты при биполярном расстройстве, была снижена в NSCa, ExN1.CA1-4.FIBCD1 и нескольких пространственных кластерах, тогда как уровень белка был повышен в ткани гиппокампа при MDD (4b и 6b, 6e). Это может указывать либо на компенсаторное снижение транскрипции в ответ на повышенный уровень белка, либо на клеточно-типоспецифическое снижение экспрессии РНК при одновременном повышении уровня белка в различных субполях и типах клеток гиппокампа.

Примечательно, что нарушения многих выявленных белков и РНК, включая GSK3β, STMN1, NPTN, CALB1, SYN3 и FABP7, ранее обнаруживались не только при MDD, но и при шизофрении, биполярном расстройстве и зависимостях (PsyGeNET; 5f, 5g). Это позволяет предположить, что нарушения путей, связанных с нейропластичностью и нейроразвитием, характерны для различных психических расстройств.

Регулоны транскрипционных факторов лежат в основе стресс-зависимых эпигенетических изменений при MDD

Изображение №6

Чтобы исследовать регуляторные механизмы, лежащие в основе клеточно-типоспецифических транскрипционных изменений, ученые проанализировали доступность хроматина в отдельных ядрах и активность связывания транскрипционных факторов. При MDD в различных типах клеток было выявлено 102 дифференциально доступных участка хроматина (DAR), охватывающих промоторные, интронные и дистальные регуляторные области (6a).

Часть DAR при MDD перекрывалась с DEG, что позволило выявить участки генома, в которых изменения доступности хроматина непосредственно соответствовали изменениям транскрипции близлежащих генов и, таким образом, указывали на функциональные регуляторные элементы. Среди этих DEG была снижена экспрессия SCART1 (в GC1, ImGC1, ImGC2, InN5.PENK, INP и NB), участвующего в иммунном контроле и связанного с псориазом.

Регуляторные программы характеризовали с помощью анализа участков связывания TF и оценки их связывающей активности, определяющей экспрессию генов. Анализ выявил центральную роль цинк-пальцевых TF, KLF15 и других стресс-чувствительных факторов семейства Kruppel-like, активность которых в значительной степени регулируется кортикостероидами, в качестве регуляторов транскрипции в GC1, InN5.PENK и ExN1.CA1-4.FIBCD1 (6b). Примечательно, что уровень стрессового воздействия в течение последних 6 месяцев перед смертью был выше у лиц с MDD, чем в контрольной группе.

В GC1 активность связывания TF со сходными мотивами (6c) была связана с повышенной экспрессией HPCAL1 (сигнальный путь Wnt и β-катенин), KRAS (долговременная потенциация), MAT2B (метилирование и вызванное им воспаление) и CYFIP2 (динамика цитоскелета и клеточное развитие). Связывание KLF15 коррелировало с изменениями экспрессии HPCAL1 и KRAS, а анализ связывания TF в целевых локусах выявил связь между доступностью хроматина и показателями связывания TF при MDD по сравнению с CTRL (6d).

В InN5.PENK активность связывания TF со сходными мотивами (6e) была связана с повышенной экспрессией CAMKV (поддержание дендритных шипиков), RAB6B и SLC25A6 (везикулярный транспорт), CYFIP2, MDH1 (окислительно-восстановительный баланс и метаболизм) и NPTN (клеточная адгезия и долговременная потенциация), а также со сниженной экспрессией ACYP2, участвующего в поддержании теломер и защите от клеточного старения. Связывание KLF15 коррелировало с экспрессией CAMKV, RAB6B и SLC25A6, а профили связывания TF показали связь между доступностью хроматина и показателями связывания TF при MDD по сравнению с контрольной группой (6f).

В ExN1.CA1-4.FIBCD1 активность TF была связана со снижением экспрессии РНК HOMER1, тогда как уровень соответствующего белка был повышен, что может представлять собой компенсаторный ответ, направленный на регуляцию функции глутаматергических синапсов, кальциевой сигнализации, роста дендритных шипиков и стабильности синапсов. При MDD по сравнению с контрольной группой связывание KLF15 отрицательно коррелировало с экспрессией HOMER1, а профили связывания TF выявили связь сигнала доступности хроматина с показателями связывания TF, отражая специфичное для MDD взаимодействие TF с целевыми локусами (6f).

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые провели обширное исследование связи между большим депрессивным расстройством и нейрональной активностью мозга.

Большинство из примерно 100 млрд нейронов человеческого мозга формируется еще до рождения. Однако небольшое количество новых нейронов продолжает появляться во взрослом гиппокампе, и этот процесс может играть важную роль в защите от депрессии. Ученые впервые получили свидетельства того, что при большом депрессивном расстройстве нейрогенез во взрослом гиппокампе затормаживается. Кроме того, им удалось выявить молекулярные программы, регулирующие этот процесс, что может помочь в поиске новых терапевтических мишеней.

Основное внимание ученые уделили гиппокампу, который участвует в формировании эпизодической памяти и эмоциональных реакций и является одной из немногих областей взрослого мозга, где продолжается образование новых нейронов. Одной из важных функций гиппокампа является разделение сходных воспоминаний. Этот механизм позволяет отличать новые события от похожего прошлого опыта и не переносить связанные с прежними ситуациями эмоции на происходящее сейчас. При нарушении этого процесса отдельные воспоминания могут смешиваться. Например, нейтральное поведение знакомого человека может восприниматься как признак отвержения, если оно ассоциируется с предыдущим негативным опытом. Подобное смещение в сторону негативных воспоминаний характерно для депрессии. Исследования на животных показали, что нейрогенез во взрослом гиппокампе необходим для нормального разделения воспоминаний. Данные пациентов, у которых нейрогенез подавлялся после облучения гиппокампа, указывают на возможность существования аналогичного механизма у человека. Новые нейроны особенно чувствительны к новому опыту и легче включаются в формирующиеся нейронные цепи. Поэтому восстановление нейрогенеза потенциально может способствовать перестройке нейронных сетей гиппокампа и стать одним из подходов к лечению депрессии.

Изменения при депрессии не ограничивались процессом образования новых нейронов. Ученые обнаружили нарушения во всей нейронной системе гиппокампа, участвующей в формировании воспоминаний и их эмоциональной окраски. Были затронуты гены, связанные с образованием новых синаптических связей, межклеточной передачей сигналов, энергетическим обменом и внутриклеточным транспортом. В трехсинаптической цепи гиппокампа также выявили признаки клеточного стресса и нейровоспаления. Для исследования ученые проанализировали почти полмиллиона клеток мозга людей с депрессией и участников контрольной группы. Современные методы транскриптомики, пространственного анализа и протеомики позволили определить активность генов в отдельных клетках и установить их точное расположение в структурах гиппокампа.

Некоторые из выявленных изменений затрагивали гены, варианты которых ранее уже связывали с большим депрессивным расстройством. В других генах наблюдались эпигенетические изменения, способные возникать под воздействием стресса, обучения, старения и других факторов окружающей среды. Эпигенетические механизмы регулируют активность генов, не изменяя саму последовательность ДНК. По словам ученых, их можно сравнить с регуляторами яркости, которые усиливают или ослабляют работу определенных генов в зависимости от жизненного опыта. Разнообразие обнаруженных молекулярных нарушений может объяснять, почему депрессия проявляется у разных людей настолько по-разному. Возможно, под одним диагнозом скрываются несколько биологически различных состояний.

В перспективе ученые надеются классифицировать депрессию по молекулярным и клеточным особенностям, подобно тому как сегодня классифицируют многие виды рака. Такой подход может позволить выделить отдельные биологические подтипы заболевания и подобрать для каждого из них более точные методы лечения. Более глубокое понимание изменений нейрогенеза, нейропластичности, иммунных процессов и клеточного метаболизма в гиппокампе может стать основой для разработки новых терапевтических стратегий.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?