Estudo em várias regiões do cérebro identifica fatores de vulnerabilidade e resiliência do Alzheimer

Todas as células cerebrais têm o mesmo DNA, mas o que as torna diferentes, tanto em sua identidade quanto em sua atividade, são seus padrões de como elas expressam esses genes. A nova análise mediu diferenças de expressão genética em mais de 1,3 milhão de células de mais de 70 tipos de células em seis regiões cerebrais de 48 doadores de tecido, 26 dos quais morreram com um diagnóstico de Alzheimer e 22 dos quais sem. Como tal, o estudo fornece uma contabilidade excepcionalmente grande, abrangente e ainda detalhada de como a atividade das células cerebrais difere em meio à doença de Alzheimer por tipo de célula, por região cerebral, por patologia da doença e pela avaliação cognitiva de cada pessoa enquanto ainda viva.

“Regiões cerebrais específicas são vulneráveis ​​no Alzheimer e há uma necessidade importante de entender como essas regiões ou tipos específicos de células são vulneráveis”, disse o coautor sênior Li-Huei Tsai, Professor Picower de Neurociência e diretor do Instituto Picower para Aprendizagem e Memória e da Iniciativa do Cérebro Envelhecido no MIT. “E o cérebro não é apenas neurônios. São muitos outros tipos de células. Como esses tipos de células podem responder de forma diferente, dependendo de onde estão, é algo fascinante que estamos apenas começando a observar.”

O coautor sênior Manolis Kellis, professor de ciência da computação e chefe do Grupo de Biologia Computacional do MIT, comparou a técnica usada para medir comparações de expressão genética, o perfil de RNA de célula única, a um “microscópio” muito mais avançado do que aqueles que permitiram que Alois Alzheimer caracterizasse a patologia da doença há mais de um século.

“Onde Alzheimer viu placas de proteína amiloide e emaranhados de tau fosforilados em seu microscópio, nosso ‘microscópio’ de célula única nos conta, célula por célula e gene por gene, sobre milhares de mudanças biológicas sutis, mas importantes, em resposta à patologia”, disse Kellis. “Conectar essas informações com o estado cognitivo dos pacientes revela como as respostas celulares se relacionam com a perda cognitiva ou resiliência, e pode ajudar a propor novas maneiras de tratar a perda cognitiva. A patologia pode preceder os sintomas cognitivos em uma ou duas décadas antes que o declínio cognitivo seja diagnosticado. Se não houver muito que possamos fazer sobre a patologia nesse estágio, podemos pelo menos tentar proteger as vias celulares que mantêm a função cognitiva.”

Hansruedi Mathys, um ex-pós-doutorado do MIT no Tsai Lab, que agora é professor assistente na University of Pittsburgh, Carles Boix, um ex-aluno de pós-graduação no laboratório de Kellis que agora é pós-doutorado na Harvard Medical School, e Leyla Akay, uma aluna de pós-graduação no laboratório de Tsai, lideraram o estudo analisando o córtex pré-frontal, o córtex entorrinal, o hipocampo, o tálamo anterior, o giro angular e o córtex médio-temporal. As amostras de cérebro vieram do Religious Order Study e do Rush Memory and Aging Project na Rush University.

Vulnerabilidade neural e Reelin

Alguns dos primeiros sinais de patologia amiloide e perda de neurônios no Alzheimer ocorrem em regiões focadas na memória chamadas hipocampo e córtex entorrinal. Nessas regiões, e em outras partes do córtex cerebral, os pesquisadores conseguiram identificar uma possível razão para isso. Um tipo de neurônio excitatório no hipocampo e quatro no córtex entorrinal eram significativamente menos abundantes em pessoas com Alzheimer do que em pessoas sem. Indivíduos com depleção dessas células tiveram desempenho significativamente pior em avaliações cognitivas. Além disso, muitos neurônios vulneráveis ​​estavam interconectados em um circuito neuronal comum. E tão importante quanto isso, vários expressavam diretamente uma proteína chamada Reelin, ou eram diretamente afetados pela sinalização Reelin. No geral, portanto, as descobertas destacam distintamente neurônios especialmente vulneráveis, cuja perda está associada à cognição reduzida, que compartilham um circuito neuronal e uma via molecular.

Tsai observou que Reelin se tornou proeminente na pesquisa de Alzheimer por causa de um estudo recente de um homem na Colômbia. Ele tinha uma mutação rara no gene Reelin que fazia com que a proteína fosse mais ativa, e foi capaz de permanecer cognitivamente saudável em uma idade avançada, apesar de ter uma forte predisposição familiar para Alzheimer de início precoce. O novo estudo mostra que a perda de neurônios produtores de Reelin está associada ao declínio cognitivo. Tomados em conjunto, podem significar que o cérebro se beneficia de Reelin, mas que os neurônios que o produzem podem ser perdidos em pelo menos alguns pacientes de Alzheimer.

“Podemos pensar que Reelin tem talvez algum tipo de efeito protetor ou benéfico”, disse Akay. “Mas ainda não sabemos o que ele faz ou como pode conferir resiliência.”

Em análises posteriores, os pesquisadores também descobriram que subtipos de neurônios inibitórios especificamente vulneráveis ​​identificados em um estudo anterior deste grupo no córtex pré-frontal também estavam envolvidos na sinalização da reelina, reforçando ainda mais a importância da molécula e sua via de sinalização.

Para verificar melhor seus resultados, a equipe examinou diretamente as amostras de tecido cerebral humano e os cérebros de dois tipos de camundongos modelo de Alzheimer. Com certeza, esses experimentos também mostraram uma redução em neurônios Reelin-positivos no córtex entorrinal humano e de camundongo.

Resiliência associada ao metabolismo da colina em astrócitos

Para encontrar fatores que pudessem preservar a cognição, mesmo em meio à patologia, a equipe examinou quais genes, em quais células e em quais regiões estavam mais intimamente associados à resiliência cognitiva, que eles definiram como função cognitiva residual, acima da perda cognitiva típica esperada dada a patologia observada.

A análise deles produziu uma resposta surpreendente e específica: em várias regiões do cérebro, astrócitos que expressaram genes associados à atividade antioxidante e ao metabolismo da colina e à biossíntese de poliamina foram significativamente associados à cognição sustentada, mesmo em meio a altos níveis de tau e amiloide. Os resultados reforçaram descobertas de pesquisas anteriores lideradas por Tsai e Susan Lundqvist, nas quais eles mostraram que o suplemento dietético de colina ajudou os astrócitos a lidar com a desregulação de lipídios causada pelo gene de risco mais significativo para Alzheimer, a variante APOE4. As descobertas antioxidantes também apontaram para uma molécula que pode ser encontrada como um suplemento dietético, a espermidina, que pode ter propriedades anti-inflamatórias, embora tal associação precise de mais trabalho para ser estabelecida causalmente.

Como antes, a equipe foi além das previsões da análise de expressão de RNA de célula única para fazer observações diretas no tecido cerebral das amostras. Aquelas que vieram de indivíduos cognitivamente resilientes de fato mostraram expressão aumentada de vários dos genes expressos por astrócitos previstos como associados à resiliência cognitiva.

Novo método de análise, conjunto de dados aberto

Para analisar as montanhas de dados de células individuais, os pesquisadores desenvolveram uma nova metodologia robusta baseada em grupos de genes expressos coordenadamente (conhecidos como “módulos genéticos”), explorando assim os padrões de correlação de expressão entre genes funcionalmente relacionados no mesmo módulo.

“Em princípio, as 1,3 milhões de células que pesquisamos poderiam usar seus 20.000 genes em um número astronômico de combinações diferentes”, explica Kellis. “Na prática, no entanto, observamos um subconjunto muito menor de mudanças coordenadas. Reconhecer esses padrões coordenados nos permite inferir mudanças muito mais robustas, porque elas são baseadas em múltiplos genes no mesmo módulo funcionalmente conectado.”

Ele ofereceu esta analogia: Com muitas articulações em seus corpos, as pessoas poderiam se mover de todos os tipos de maneiras malucas, mas na prática elas se envolvem em muito menos movimentos coordenados, como andar, correr ou dançar. O novo método permite que os cientistas identifiquem tais programas coordenados de expressão genética como um grupo.

Embora os laboratórios de Kellis e Tsai já tenham relatado diversas descobertas dignas de nota no conjunto de dados, os pesquisadores esperam que muitas outras descobertas possivelmente significativas ainda estejam esperando para serem encontradas no acervo de dados.

Para facilitar essa descoberta, a equipe postou ferramentas úteis de análise e visualização junto com os dados no site de Kellis em: https://compbio.mit.edu/ad_multiregion.

“O conjunto de dados é imensamente rico. Nós focamos em apenas alguns aspectos que são salientes e que acreditamos serem muito, muito interessantes, mas de forma alguma esgotamos o que pode ser aprendido com este conjunto de dados”, disse Kellis. “Esperamos muitas outras descobertas pela frente, e esperamos que jovens pesquisadores (de todas as idades) mergulhem de cabeça e nos surpreendam com muito mais insights.”

No futuro, disse Kellis, os pesquisadores estão estudando o circuito de controle associado aos genes expressos de forma diferencial, para entender as variantes genéticas, os reguladores e outros fatores determinantes que podem ser modulados para reverter o circuito da doença em regiões do cérebro, tipos de células e diferentes estágios da doença.

Autores adicionais do estudo incluem Ziting Xia, Jose Davila Velderrain, Ayesha P. Ng, Xueqiao Jiang, Ghada Abdelhady, Kyriaki Galani, Julio Mantero, Neil Band, Benjamin T. James, Sudhagar Babu, Fabiola Galiana-Melendez, Kate Louderback, Dmitryback Prokopenko, Rudolph E. Tanzi e David A. Bennett.

O apoio à pesquisa veio dos Institutos Nacionais de Saúde, do Instituto Picower para Aprendizagem e Memória, da Fundação JPB, do Fundo Cure Alzheimer’s, da Fundação da Família Robert A. e Renee E. Belfer, Eduardo Eurnekian e Joseph DiSabato.