نقشه‌ای در گذر زمان: ردیابی بیماری هانتینگتون از بدو تولد در مغز

مطالعه جدیدی در مدل‌های موشی نشان می‌دهد که چگونه بیماری هانتینگتون (HD) رشد مغز را در طول زمان، حتی مدت‌ها قبل از ظاهر شدن علائم، مختل می‌کند. محققان با استفاده از ابزارهای پیشرفته تعیین توالی و ترانسکریپتومیک فضایی، تکنیکی که مکان فعال شدن ژن‌ها را در مغز نقشه‌برداری می‌کند، علائم هشدار اولیه را کشف کردند که می‌تواند به توضیح اینکه چرا برخی از سلول‌های مغزی در HD آسیب‌پذیرتر از سایرین هستند، کمک کند.

چرا این موضوع مهم است

ما می‌دانیم که HD ناشی از تکرار حروف ژنتیکی است که C-A-G را در ژن هانتینگتین هجی می‌کنند. افرادی که به HD مبتلا نمی‌شوند، ۳۵ یا کمتر CAG دارند، در حالی که افرادی که به HD مبتلا می‌شوند، ۳۶ یا بیشتر دارند.

و در حالی که هر سلول این اشتباه املایی ژنتیکی را حمل می‌کند، سلول‌های مغزی خاصی بسیار سخت‌تر مورد اصابت قرار می‌گیرند و باعث می‌شوند زودتر بمیرند. چیزی که ما هنوز به طور کامل درک نمی‌کنیم این است که چرا این سلول‌ها آسیب‌پذیرتر هستند، یا چه اتفاقی ممکن است بی‌صدا در مغز رخ دهد، مدت‌ها قبل از اینکه علائم ظاهر شوند تا آنها را آسیب‌پذیرتر کند.

در یک مطالعه جدید، به رهبری دکتر لسلی تامپسون و دکتر مارا برنز در دانشگاه کالیفرنیا ایروین، این تیم به بررسی این راز پرداخت. آنها از ترکیب قدرتمندی از تکنیک‌ها به نام «ترانسکریپتومیک فضایی» و «تعیین توالی تک‌سلولی» استفاده کردند.

ترانسکریپتومیک فضایی فانتزی به نظر می‌رسد (و همینطور هم هست!)، اما نام آن به ما سرنخ‌هایی در مورد کاری که انجام می‌دهد می‌دهد. این روش به صورت فضایی رونویسی‌ها یا پیام‌های ژنتیکی کوتاهی را که از DNA قبل از تبدیل شدن به پروتئین ایجاد می‌شوند، روی یک نمونه مغزی نقشه‌برداری می‌کند. بنابراین می‌توان از آن برای نشان دادن محل پیام‌های ژنتیکی روی تصویری از مغز استفاده کرد. محققان از این تکنیک برای نقشه‌برداری از تغییرات در طول عمر موش‌هایی که مدل HD هستند، استفاده کردند.

تعیین توالی تک‌سلولی پیام‌های ژنتیکی را در یک نمونه در هر سلول منفرد بررسی می‌کند. هر دوی این تکنیک‌ها داده‌های زیادی را ارائه می‌دهند و به ایجاد یک نقشه دقیق از آنچه در داخل مغز به دلیل HD می‌گذرد کمک می‌کنند.

جالب اینجاست که آنها شگفتی‌هایی را یافتند! کار آنها نشان می‌دهد که تغییرات در فعالیت ژن از بدو تولد شروع می‌شود و به روشی خاص برای نوع سلول و منطقه تکامل می‌یابد، به ویژه بر جسم مخطط (منطقه مرکزی مغز که حرکت، انگیزه و احساسات را کنترل می‌کند) و قشر مغز (قسمت بیرونی چروکیده که چیزهایی مانند ادراک، حرکت و برنامه‌ریزی را کنترل می‌کند) تأثیر می‌گذارد. این دو ناحیه مغزی به شدت تحت تأثیر HD قرار می‌گیرند. دانستن بیشتر در مورد زمان و چگونگی وقوع تغییرات در این نواحی مغزی می‌تواند به ما در درک راز آسیب‌پذیری انتخابی در HD کمک کند.

مناطق آسیب‌پذیر مغز HD: جسم مخطط و قشر مغز

ما می‌دانیم که HD به طور مساوی بر همه سلول‌های مغزی تأثیر نمی‌گذارد. برخی از انواع سلول‌ها، مانند سلول‌های گلیال که برای حمایت از نورون‌ها کار می‌کنند، به همان روشی که نورون‌ها هستند، در معرض مرگ نیستند.

اما حتی خود نورون‌ها نیز به طور انتخابی آسیب‌پذیر هستند. برخی از انواع به ویژه در معرض مرگ هستند، در حالی که برخی دیگر به طور شگفت انگیزی مقاوم باقی می‌مانند، حتی در مراحل پایانی. از جمله آسیب‌دیده‌ترین‌ها نورون‌های خاردار متوسط (MSN) هستند که بخش عمده‌ای از جسم مخطط را تشکیل می‌دهند – ناحیه‌ای از مغز که برای هماهنگی حرکت، انگیزه و یادگیری مرکزی است.

MSNها «ایستگاه‌های رله» حیاتی در مدار مغز هستند که سیگنال‌های دوپامین را منتقل می‌کنند و کنترل حرکتی را تنظیم می‌کنند. در HD، این نورون‌ها از اولین نورون‌هایی هستند که عملکرد تغییر یافته را نشان می‌دهند و در نهایت می‌میرند. مطالعه جدید نشان می‌دهد که حتی در موش‌های HD تازه متولد شده، MSNها شروع به نشان دادن فعال‌سازی غیرطبیعی ژن می‌کنند، از جمله افزایش سطح ژن‌های هویتی مانند Drd1 و Tac1، که بعداً کاهش می‌یابند. این نشان می‌دهد که سلول‌ها ممکن است در ابتدا «بیش از حد جبران کنند» قبل از اینکه از کار بیفتند.

در همین حال، در قشر مغز، یکی دیگر از نواحی مغزی که تفکر و تصمیم‌گیری عالی را کنترل می‌کند، محققان کاهش بیان Tcf4، یک مرکز ژنتیکی کلیدی مهم برای رشد نورون را یافتند. این تغییرات قشر مغز از اوایل شروع می‌شود و در طول پیشرفت بیماری ادامه می‌یابد، که نشان می‌دهد HD ممکن است به طور ظریفی نحوه بلوغ قشر مغز را نیز مختل کند.

عصر جدید نقشه‌برداری مغز

تا همین اواخر، اگر می‌خواستیم بدانیم کدام ژن‌ها به طور متفاوتی توسط HD فعال می‌شوند، بیشتر مطالعات به روشی به نام «تعیین توالی RNA فله‌ای» متکی بودند. این تکنیک قدرتمند است، اما یک اشکال بزرگ دارد: برای اندازه‌گیری اینکه کدام ژن‌ها روشن می‌شوند، دانشمندان ابتدا باید بافت مغز را خرد کنند. این بدان معناست که پیام‌های ژنتیکی از همه انواع سلول‌ها در نمونه – نورون‌های آسیب‌پذیر و مقاوم، گلیال و حتی سلول‌های رگ‌های خونی – با هم مخلوط می‌شوند.

تعیین توالی RNA فله‌ای کمی شبیه این است که همه مکالمات در یک شهر را ضبط کنید، همه آنها را به طور همزمان ضبط کنید و آنها را در یک آهنگ صوتی واحد مخلوط کنید. شما صدای کلی را خواهید شنید، اما نمی‌توانید تشخیص دهید که آیا از یک معلم در یک کلاس درس، یک نوازنده خیابانی یا یک کودک در زمین بازی آمده است. برای حل این مشکل، محققان در این مطالعه از دو رویکرد جدید استفاده کردند:

• ترانسکریپتومیک فضایی: این روش یک گام بزرگ به جلو است زیرا فعالیت ژن را در حالی که برش‌های بافتی دست نخورده باقی می‌مانند، اندازه‌گیری می‌کند. این مانند گرفتن یک عکس هوایی از مغز با نقاط رنگی است که نشان می‌دهد کدام محله‌ها در فعالیت ژنتیکی خود «بلند» یا «آرام» هستند. وضوح سیگنال‌ها را از هر سلول منفرد ثبت نمی‌کند، اما می‌تواند از گروه‌های ده‌ها سلول ثبت کند. به طور حیاتی، اطلاعات «کجا» را که روش‌های فله‌ای پاک می‌کنند، حفظ می‌کند.
• تعیین توالی RNA تک هسته‌ای (معروف به snRNA-seq): در اینجا، دانشمندان بسیار نزدیک‌تر زوم می‌کنند. به جای کار با برش‌های کامل مغز، آنها سلول‌های منفرد را جدا می‌کنند و فعالیت ژنتیکی آنها را یک به یک می‌خوانند. این نشان می‌دهد که چه کسی در شهر مغز صحبت می‌کند – نورون‌ها، آستروسیت‌ها، میکروگلیا یا الیگودندروسیت‌ها – و هر نوع سلول چه می‌گوید. اما نکته منفی این است که این روش زمینه فضایی را از دست می‌دهد: شما می‌دانید چه کسی صحبت می‌کند، اما نمی‌دانید آنها در کجای شهر هستند.

تیم با ترکیب این دو روش در یک جدول زمانی از عمر موش HD، بهترین‌های هر دو جهان را به دست آورد: «کجا» از ترانسکریپتومیک فضایی و «چه کسی» از تعیین توالی تک‌سلولی. این به آنها اجازه داد تا یک نقشه فضایی در طول زمان از نحوه آشکار شدن HD بسازند. با آن، آنها تغییرات ژن را به انواع سلول‌های خاص و نواحی مغزی در سه مرحله مرتبط کردند: تولد، علائم اولیه و بیماری دیررس. این رویکرد ظرافت بیشتری نسبت به تکنیک‌های قبلی ارائه می‌دهد و امکانات جدیدی را برای درک بیماری‌های پیچیده، مانند HD، باز می‌کند.

یافته‌های کلیدی

• سازماندهی مجدد از همان ابتدا: حتی در بدو تولد، موش‌های HD از قبل فعالیت ژنی تغییر یافته را نشان می‌دهند. در جسم مخطط، ژن‌های میتوکندریایی (آنهایی که تولید انرژی را کنترل می‌کنند) مختل شده بودند. در قشر مغز، ژنی به نام Tcf4، که برای رشد مغز حیاتی است، کاهش یافته بود. این ممکن است بر نحوه سازماندهی و اتصال نورون‌های قشر مغز تأثیر بگذارد.
• تغییرات در طول زمان: MSNها افزایش اولیه در ژن‌های هویتی را نشان دادند که به تعریف این نوع خاص از نورون کمک می‌کنند. با گذشت زمان، به نظر می‌رسد این روند تغییر می‌کند و سطوح ژن هویت کاهش می‌یابد. محققان تغییرات دیگری را شناسایی کردند که می‌تواند به اختلال MSN کمک کند، مانند کمبودهای میتوکندریایی، که به نظر می‌رسد قبل از شروع آشکار علائم در جسم مخطط منشا می‌گیرند و به سایر نواحی مغز گسترش می‌یابند.
• اختلال در ارتباط: تیم با بررسی مسیرهای سیگنالینگ سلول به سلول، تغییرات وابسته به زمان را در سیگنالینگ نوروپپتید Y (NPY) یافتند که ممکن است در متعادل کردن مصرف انرژی و سلامت نورون نقش داشته باشد.

نگاهی به آینده: مسیرهای جدید برای درک و مداخله

این مطالعه فقط یک عکس فوری از مغز HD ارائه نمی‌دهد، بلکه یک نقشه تایم لپس از نحوه تغییرات با پیشرفت HD ارائه می‌دهد. با ترکیب داده‌های فضایی و تک‌سلولی، تأثیر اولیه هانتینگتون را نشان می‌دهد، شاید از اوایل تولد شروع شود و به آرامی در طول زمان ایجاد شود.

با این حال، توجه به این نکته مهم است که حتی تغییرات شناسایی شده در بدو تولد به این معنی نیست که مغز نمی‌تواند جبران کند. واضح است که می‌تواند! افراد دارای ژن HD به طور کلی برای دهه‌ها زندگی کاملاً سالمی دارند. آنچه می‌تواند به این معنی باشد این است که این تغییرات اولیه و ظریف ممکن است این سلول‌ها را برای حساسیت بعدی آماده کند که آنها را در برابر مرگ آسیب‌پذیرتر می‌کند. بنابراین در حالی که آنها می‌توانند در طول این دهه‌ها از آسیب‌های مولکولی جلوگیری کنند، با گذشت زمان این موضوع بیش از حد می‌شود.

این بینش‌ها چندین نکته برای جامعه HD ارائه می‌دهد:

• زمان‌بندی درمانی: اگر تغییرات ژنی اولیه به آسیب‌پذیری کمک کند، درمان‌هایی که هدفشان تثبیت رشد مغز است می‌تواند ارزشمند باشد، حتی قبل از ظاهر شدن علائم.
• استراتژی‌های هدفمند: درک اینکه کدام سلول‌ها ابتدا تغییر می‌کنند و چگونه، می‌تواند به توسعه درمان‌های دقیق‌تر کمک کند. برخی از تغییرات ممکن است زود شروع شوند اما توسط مکانیسم‌های جبرانی خود مغز متعادل می‌شوند. مطالعه این دفاع‌های طبیعی می‌تواند راه‌های جدیدی را برای مبارزه از همان ابتدا آشکار کند.
• توسعه نشانگر زیستی: الگوهایی مانند استرس میتوکندریایی یا کاهش تنظیم Tcf4 ممکن است روزی به شناسایی دقیق‌تر شروع بیماری کمک کند.

مهمتر از همه، این کار اهمیت روزافزون ابزارهای نقشه‌برداری مغز با داده‌های بزرگ را برجسته می‌کند و به محققان کمک می‌کند تا از میانگین‌های فله‌ای فراتر رفته و واقعاً درک کنند که در سلول‌های منفرد، در بافت واقعی، در طول زمان چه اتفاقی می‌افتد. در حالی که این مطالعه در یک مدل موشی انجام شد، پایه و اساس مهمی را برای درک اولین امواج مولکولی HD در مغز انسان و چگونگی مداخله ما قبل از تغییر نقشه ایجاد می‌کند.

خلاصه

• ابزارهای نقشه‌برداری پیشرفته: ترکیب ترانسکریپتومیک فضایی و تعیین توالی تک‌سلولی نشان می‌دهد که کجا و کدام سلول‌ها در HD تغییر می‌کنند.
• آغازهای اولیه: تغییرات فعالیت ژن از بدو تولد در موش‌های HD، به ویژه در جسم مخطط و قشر مغز، آسیب‌دیده‌ترین مناطق مغز، شروع می‌شود.
• تغییرات پویا در طول زمان: نورون‌ها در مناطق آسیب‌پذیر، فعال‌سازی بیش از حد اولیه ژن‌های هویتی را نشان می‌دهند که بعداً با پیشرفت بیماری کاهش می‌یابد.
• نقص در انرژی و ارتباطات: مسیرهای سیگنالینگ میتوکندریایی و نوروپپتیدی مختل می‌شوند و بر سلامت نورون تأثیر می‌گذارند.
• طرحی برای مداخله زودهنگام: این یافته‌ها نشان می‌دهد که تغییرات ظریف و اولیه زندگی ممکن است آسیب‌پذیری بعدی را شکل دهد و استراتژی‌های پیشگیری و درمان آینده را هدایت کند.

اطلاعات بیشتر

مقاله تحقیقاتی اصلی، “الگوهای مولکولی متمایز در مغز موش R6/2 HD: بینش‌هایی از ترانسکریپتومیک فضایی-زمانی” (دسترسی آزاد).