Слева: астроциты мыши (зелёные) до перепрограммирования. Справа: нейроны (красные), индуцированные из астроцитов мыши после перепрограммирования с помощью антисмыслового олигонуклеотида PTB. Источник: Медицинский факультет Калифорнийского университета в Сан-Диего

Подавление активности одного гена приводит к превращению многих типов клеток непосредственно в нейроны, вырабатывающие дофамин.

Сян-Донг Фу, доктор философии, никогда ещё за всю свою карьеру не был так воодушевлён. Он долгое время изучал фундаментальную биологию РНК, генетического родственника ДНК, и связывающие её белки. Но одно открытие привело Фу в совершенно новую область — нейробиологию.

На протяжении десятилетий Фу и его команда из Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего изучали белок под названием PTB, который, как известно, связывается с РНК и влияет на то, какие гены в клетке «включены», а какие «выключены» Чтобы изучить роль такого белка, как PTB, учёные часто воздействуют на клетки, чтобы уменьшить количество этого белка, а затем наблюдают за происходящим.

Несколько лет назад аспирант, работавший в лаборатории Фу, применил этот подход, используя метод, называемый siRNA, для подавления гена PTB в клетках соединительной ткани, известных как фибробласты. Но это утомительный процесс, который нужно выполнять снова и снова. Он устал от этого и убедил Fu, что они должны использовать другую технику для создания стабильной клеточной линии, в которой постоянно отсутствует PTB. Сначала постдок тоже жаловался на это, потому что из-за этого клетки росли так медленно.

Сверху: мозг мыши до перепрограммирования, дофаминергические нейроны показаны зелёным цветом. Снизу: мозг мыши после перепрограммирования с помощью антисмыслового олигонуклеотида PTB, который превратил астроциты в большее количество дофаминергических нейронов (зелёные). Источник: Калифорнийский университет в Сан-Диего, факультет медицинских наук

Но через пару недель он заметил кое-что странное: фибробластов осталось очень мало. Почти всё блюдо было заполнено нейронами.

Таким неожиданным образом команда обнаружила, что подавление или удаление всего одного гена, кодирующего PTB, превращает несколько типов клеток мыши непосредственно в нейроны.

Совсем недавно Фу и Хао Цянь, доктор философии, ещё один научный сотрудник его лаборатории, сделали большой шаг вперёд в своих исследованиях, применив их для разработки нового терапевтического подхода к лечению болезни Паркинсона и других нейродегенеративных заболеваний. Всего одно лечение, направленное на подавление PTB у мышей, превратило астроциты — звёздчатые клетки головного мозга — в нейроны, вырабатывающие нейромедиатор дофамин. В результате у мышей исчезли симптомы болезни Паркинсона.

Исследование опубликовано 24 июня 2020 года в журнале Nature.

«Исследователи по всему миру перепробовали множество способов создания нейронов в лаборатории с использованием стволовых клеток и других методов, чтобы лучше их изучить, а также использовать для замены утраченных нейронов при нейродегенеративных заболеваниях, — сказал Фу, заслуженный профессор кафедры клеточной и молекулярной медицины Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего. — Тот факт, что мы смогли создать такое количество нейронов относительно простым способом, стал для нас большим сюрпризом».

Существует несколько способов имитировать болезнь Паркинсона у мышей. В данном случае исследователи использовали молекулу, похожую на дофамин, чтобы отравить нейроны, вырабатывающие дофамин. В результате у мышей погибают нейроны, вырабатывающие дофамин, и появляются симптомы, схожие с болезнью Паркинсона, например нарушение двигательной активности.

Лечение работает следующим образом: исследователи разработали неинфекционный вирус, который несёт в себе антисмысловую олигонуклеотидную последовательность — искусственный фрагмент ДНК, предназначенный для специфического связывания с РНК, кодирующей PTB, что приводит к её разрушению, предотвращает её трансляцию в функциональный белок и стимулирует развитие нейронов.

Антисмысловые олигонуклеотиды, также известные как дизайнерские ДНК-препараты, являются проверенным средством для лечения нейродегенеративных и нервно-мышечных заболеваний. Соавтор исследования Дон Кливленд, доктор философии, стал первопроходцем в этой области, и теперь эта технология лежит в основе одобренной Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) терапии спинальной мышечной атрофии и нескольких других методов лечения, которые в настоящее время проходят клинические испытания. Кливленд является заведующим кафедрой клеточной и молекулярной медицины в Медицинской школе Калифорнийского университета в Сан-Диего и сотрудником Института исследования рака Людвига в Сан-Диего.

Исследователи вводили антисмысловой олигонуклеотид PTB непосредственно в средний мозг мышей, который отвечает за регуляцию двигательных функций и поведение, связанное с вознаграждением, а также за ту часть мозга, в которой при болезни Паркинсона обычно погибают нейроны, вырабатывающие дофамин. Контрольная группа мышей получала плацебо в виде пустого вируса или нерелевантной антисмысловой последовательности.

У мышей, получавших лечение, небольшая часть астроцитов преобразовалась в нейроны, что увеличило количество нейронов примерно на 30 процентов. Уровень дофамина восстановился до показателей, сопоставимых с показателями у обычных мышей. Более того, нейроны разрослись и направили свои отростки в другие части мозга. У мышей из контрольной группы изменений не наблюдалось.

Согласно двум различным показателям двигательной активности и реакции, состояние мышей, получавших лечение, нормализовалось в течение трёх месяцев после однократного введения препарата и оставалось полностью свободным от симптомов болезни Паркинсона до конца их жизни. В то же время у мышей из контрольной группы улучшений не наблюдалось.

«Я был потрясён увиденным, — сказал соавтор исследования Уильям Мобли, доктор медицинских наук, заслуженный профессор нейробиологии в Медицинской школе Калифорнийского университета в Сан-Диего. — Эта совершенно новая стратегия лечения нейродегенеративных заболеваний даёт надежду на то, что можно помочь даже тем, у кого болезнь зашла далеко».

Что такого особенного в PTB, что позволяет ему работать? «Этот белок присутствует во многих клетках, — говорит Фу. — Но когда нейроны начинают развиваться из своих предшественников, он естественным образом исчезает. Мы обнаружили, что исчезновение PTB — это единственный сигнал, необходимый клетке для активации генов, отвечающих за формирование нейрона».

Конечно, мыши — это не люди, — предупредил он. Модель, которую использовала команда, не в полной мере воспроизводит все основные признаки болезни Паркинсона. Но, по словам Фу, это исследование подтверждает концепцию.

Далее команда планирует оптимизировать свои методы и протестировать их на моделях мышей, которые генетически предрасположены к болезни Паркинсона. Они также запатентовали антисмысловой олигонуклеотид PTB, чтобы перейти к тестированию на людях.

«Я мечтаю довести это до клинических испытаний, чтобы протестировать этот подход в качестве метода лечения болезни Паркинсона, а также многих других заболеваний, при которых происходит гибель нейронов, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Хантингтона и инсульт, — сказал Фу. — И я мечтаю о большем: что, если бы мы могли воздействовать на PTB, чтобы исправлять дефекты в других частях мозга, лечить такие заболевания, как наследственные дефекты мозга?»

«Я намерен посвятить остаток своей карьеры ответам на эти вопросы».

Ссылка: «Обращение вспять модели болезни Паркинсона с помощью преобразованных нигральных нейронов in situ» Хао Цяня, Синьцзяна Кана, Цзин Ху, Дунъяна Чжана, Чжэнъюя Ляна, Фань Мэна, Сюань Чжана, Юаньчао Сюэ, Роя Мэймона, Стивена Ф. Дауди, Нила К. Девараджа, Чжуань Чжоу, Уильяма К. Мобли, Дона У. Кливленда и Сян-Донга Фу, 24 июня 2020 г., Nature. DOI: 10.1038/s41586-020-2388-4