Ученые Массачусетского технологического института установили, как APOE4 — вариант гена, связанный с повышенным риском поздней болезни Альцгеймера, — нарушает образование миелина, оболочки нервных волокон. В лабораторных экспериментах воздействие на обнаруженный механизм позволило улучшить этот процесс. Зачем мозгу нужна такая «изоляция», почему жиры могут накапливаться внутри клеток и что открытие означает для поиска лечения — в материале «Известий».

Чтобы вспомнить знакомое лицо, прочитать предложение или найти дорогу домой, мозгу необходимо передавать сигналы между нервными клетками. Часть этих сигналов проходит по аксонам — длинным отросткам нейронов.

Поэтому состояние нейронных связей зависит и от того, насколько хорошо соседние клетки справляются со своей работой. Если образование миелина нарушается, это может ухудшать передачу сигналов.

В новой работе исследователи сосредоточились именно на олигодендроцитах и обнаружили сбой в использовании липидов. В клетках с APOE4 они накапливались в виде капель, тогда как образование миелиновой оболочки было нарушено.

Но наличие APOE4 не равнозначно диагнозу. Как поясняет Национальная медицинская библиотека США, человек наследует повышенную вероятность заболевания, а не неизбежность его развития. Не у всех носителей APOE4 возникает болезнь Альцгеймера, и не все заболевшие имеют этот вариант.

Для исследователей важно понять, каким образом генетическая особенность меняет работу клеток. Само знание о повышенном риске еще не объясняет, где именно возникает нарушение и на какой процесс можно воздействовать.

Новая работа продолжает исследования этой группы. Еще в 2022 году ученые показали, что APOE4 связан с накоплением липидов в олигодендроцитах и нарушением миелинизации — образования миелина. Теперь они попытались выяснить, какой молекулярный механизм стоит за этим сбоем.

На первый взгляд ситуация выглядит парадоксально: для создания миелина нужны липиды, но их накопление внутри клетки сопровождается ухудшением образования оболочки. Объяснение в том, что наличие вещества и его правильное использование — разные вещи. Клетке необходимо регулировать обмен липидов, их хранение и направление на конкретные задачи. Избыток жировых капель не означает, что материал успешно используется для миелинизации.

Ученые связали обнаруженное нарушение с ослаблением сигнального пути Wnt. Так называют систему молекулярных взаимодействий, с помощью которой клетка регулирует определенные процессы и активность генов.

Это другой тип сигналов, чем электрические импульсы нейронов. В данном случае речь идет о биохимической регуляции внутри клеток, создающих миелин. В исследованных олигодендроцитах с APOE4 активность этого пути была снижена. Когда исследователям удавалось восстановить соответствующую сигнализацию, количество липидных капель уменьшалось, а образование миелина улучшалось.

Таким образом, работа касается собственного обмена веществ в клетках мозга. Она не проверяла, может ли изменение количества жиров в рационе исправить обнаруженное нарушение.

Командой руководила профессор MIT Ли-Хуэй Цай, ведущим автором исследования стала Лейла Акай. Чтобы найти механизм, ученые использовали несколько методов. Один из них — полногеномный CRISPR-скрининг. В культурах человеческих олигодендроцитов с APOE4 исследователи систематически отключали отдельные гены, кодирующие белки, и проверяли, как это отражается на накоплении липидных капель.

Простыми словами, ученые последовательно проверяли, какие элементы клеточной системы влияют на проблему. Такой поиск позволяет выйти за пределы заранее выбранной гипотезы: потенциально значимым может оказаться ген, о роли которого исследователи первоначально не подозревали.

Важно, что редактирование генов здесь было инструментом исследования клеток. Ученые не проводили генную терапию людям и не исправляли APOE4 у пациентов. Параллельно они исследовали доступность участков ДНК. В клетке ДНК упакована вместе с белками, и разные ее участки могут быть более или менее доступны для считывания. От этого зависит, насколько легко клетка может использовать содержащиеся там инструкции.

Метод ATAC-seq помог сопоставить эту доступность в образцах с APOE4 и APOE3. Для анализа использовали человеческие клеточные культуры и посмертные образцы мозга. Гены, поддерживающие сигнализацию Wnt, в образцах с APOE4 оказались менее доступными.

«Между результатами ATAC-seq и CRISPR-скрининга обнаружилось поразительное совпадение. Оба метода указали на нарушение регуляции сигнального пути Wnt», — отметила Цай.

Совпадение результатов разных методов сделало этот путь особенно интересным для дальнейшей проверки.

Следующий этап был посвящен двум участникам системы Wnt — бета-катенину и ферменту GSK3β. В изученном механизме первый поддерживает передачу сигнала, а второй способствует ее подавлению.

В олигодендроцитах с APOE4 исследователи обнаружили меньше бета-катенина и больше GSK3β по сравнению с клетками с APOE3. Это дало направление для эксперимента: проверить, изменится ли обмен липидов, если затормозить работу GSK3β.

Для этого использовали исследовательское соединение CHIR99021. В культурах клеток с APOE4 оно уменьшало накопление липидных капель. Затем ученые перешли к более сложным моделям — трехмерным органоидам, содержащим нейроны и олигодендроциты. Такие структуры позволяют наблюдать взаимодействие разных клеток, хотя не воспроизводят полноценный человеческий мозг.

В этих моделях подавление GSK3β улучшало образование миелина и способствовало росту аксонов. Исследователи получили результат, касающийся и накопления липидов, и формирования оболочек нервных волокон.

Дополнительный эксперимент показал изменение в противоположную сторону: воздействие, усиливающее активность GSK3β в клетках с APOE3, увеличивало количество липидных капель. Это подкрепило вывод о роли данного механизма.

После клеточных экспериментов подход проверили на мышах с человеческим вариантом APOE4 и генетически смоделированной тау-патологией. Так называют нарушения, связанные с белком тау, изменения которого характерны для болезни Альцгеймера.

Животные получали CHIR99021. По сравнению с контрольной группой у них обнаружили меньше липидных капель в гиппокампе — области мозга, важной для формирования памяти. Миелинизация в этой области также была выражена сильнее.

Проверка на животных важна, поскольку отдельная культура клеток не воспроизводит всех условий живого организма. Вместе с тем мышиная модель отражает определенные черты заболевания, а не всю болезнь Альцгеймера у человека.

Уменьшение количества липидных капель и улучшение миелинизации — конкретные экспериментальные результаты. По ним нельзя автоматически заключить, что у людей восстановится память или прекратится развитие деменции.

Исследование предлагает потенциальную мишень для разработки терапии: нарушение сигнализации Wnt и связанную с ним активность GSK3β. Однако между успешным лабораторным воздействием и препаратом для пациентов остается несколько принципиальных вопросов.

Необходимо проверить безопасность вмешательства, подходящий способ доставки вещества и возможность длительного применения. Отдельная задача — установить, приведет ли улучшение миелинизации к значимым для пациента результатам: сохранению памяти, самостоятельности и повседневных навыков. Соединение CHIR99021 в этой работе использовали как экспериментальный инструмент. Полученные данные не являются основанием для его самостоятельного применения.

Важно и то, что болезнь Альцгеймера затрагивает множество взаимосвязанных процессов. Среди ее характерных особенностей — накопление бета-амилоида, изменения белка тау, нарушения работы клеток и связей между ними. Обнаружение одного механизма не означает, что он объясняет все проявления заболевания.

Но такой результат позволяет точнее сформулировать следующую исследовательскую задачу. Ученые получили возможность проверять, можно ли через конкретный молекулярный путь улучшить работу клеток, поддерживающих нервные волокна.

Авторы намерены подробнее изучить, как потеря активности Wnt меняет обмен липидов, а также связь GSK3β с изменениями тау-белка. Акай и Цай подали патентную заявку по результатам CRISPR-скрининга. Сам факт заявки не подтверждает эффективность будущего лечения: ее предстоит оценивать отдельно.

Новая работа дополняет представление о болезни Альцгеймера: для сохранения нейронных связей важно состояние самих нейронов и клеток, которые создают для них миелиновую оболочку. Именно нарушение этой совместной работы стало предметом эксперимента и возможным направлением дальнейшего поиска терапии.