MUSIC Map" zeigt, dass einige Gehirnzellen schneller altern

Ingenieure der University of California in San Diego haben herausgefunden, dass manche Gehirnzellen schneller altern als andere und bei Menschen mit Alzheimer überproportional häufig vorkommen. Die Forscher beobachteten zudem geschlechtsspezifische Unterschiede im Alterungsprozess bestimmter Gehirnzellen: Die Großhirnrinde von Frauen weist einen höheren Anteil „alter“ Oligodendrozyten als „alter“ Neuronen auf als die von Männern.

Möglich wurden diese Entdeckungen durch eine neue Technik namens MUSIC (Mapping of Nucleic Acid Interactions in Single Cells). Sie ermöglicht es Forschern, in einzelne Gehirnzellen hineinzublicken und die Wechselwirkungen zwischen Chromatin – der eng gewundenen Form der DNA – und RNA abzubilden. Die Technik ermöglicht es, diese Wechselwirkungen auf der Ebene einzelner Zellen zu visualisieren und ihren Einfluss auf die Genexpression zu untersuchen.

„MUSIC ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das uns tiefere Einblicke in die komplexen Aspekte der Alzheimer-Krankheit ermöglicht “, sagte der leitende Studienautor Sheng Zhong, Professor am Shu Chien-Gen Lai-Department für Bioengineering der Jacobs School of Engineering der University of California in San Diego.

„Diese Technologie hat das Potenzial, neue molekulare Mechanismen aufzudecken, die der Pathologie der Alzheimer-Krankheit zugrunde liegen. Dies könnte den Weg für gezieltere therapeutische Eingriffe und verbesserte Ergebnisse für die Patienten ebnen.“

Das menschliche Gehirn enthält ein komplexes Netzwerk von Zellen, die auf komplexe Weise kommunizieren und interagieren. Innerhalb jeder dieser Zellen interagieren genetische Komponenten, darunter Chromatin und RNA, dynamisch und bestimmen so wichtige Zellfunktionen. Mit dem Wachstum und Altern von Gehirnzellen verändern sich diese Interaktionen zwischen Chromatin und RNA. Diese Komplexe können von Zelle zu Zelle stark variieren, insbesondere in reifen Zellen. Die Entschlüsselung dieser komplexen Interaktionen ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung.

Abhilfe schaffte eine Technik namens MUSIC, die Einblicke in die Funktionsweise einzelner Gehirnzellen ermöglicht. Mithilfe von MUSIC analysierte Zhongs Team postmortale Gehirnproben, insbesondere menschliches Frontalkortexgewebe, von 14 Spendern im Alter von 59 Jahren und älter, von denen einige an Alzheimer litten, andere nicht.

Sie fanden heraus, dass verschiedene Arten von Gehirnzellen unterschiedliche Muster der Interaktion zwischen Chromatin und RNA aufwiesen. Interessanterweise neigten Zellen mit weniger kurzen Chromatin-Interaktionen dazu, Anzeichen von Alterung und Alzheimer zu zeigen.

„Durch den Einsatz dieser bahnbrechenden Technologie zur Analyse einzelner Zellen haben wir festgestellt, dass manche Gehirnzellen älter sind als andere“, sagte Zhong. Er erklärte, dass Alzheimer-Patienten eine höhere Anzahl dieser älteren Gehirnzellen aufweisen als gesunde Menschen.

Forscher glauben, dass die Entdeckung zur Entwicklung neuer Behandlungsmethoden für die Alzheimer-Krankheit beitragen könnte.

„Wenn wir dysregulierte Gene in diesen alten Zellen identifizieren und ihre Funktionen in der lokalen Chromatinstruktur verstehen können, können wir möglicherweise auch neue potenzielle therapeutische Ziele identifizieren“, sagte der Erstautor der Studie, Xingzhao Wen, ein Doktorand der Bioinformatik in Zhongs Labor.

Die Studie ergab auch geschlechtsspezifische Unterschiede in der Alterung von Gehirnzellen. In der Großhirnrinde von Frauen fanden die Forscher ein höheres Verhältnis alter Oligodendrozyten zu alten Neuronen. Oligodendrozyten sind Gehirnzellen, die eine Schutzschicht um Neuronen bilden. Angesichts ihrer entscheidenden Rolle für die Aufrechterhaltung der normalen Gehirnfunktion kann eine erhöhte Anzahl alter Oligodendrozyten den kognitiven Abbau verschlimmern.

„Das überproportionale Vorkommen seneszenter Oligodendrozyten in der Großhirnrinde von Frauen könnte neues Licht auf das erhöhte Risiko neurodegenerativer und psychiatrischer Erkrankungen bei Frauen werfen“, sagte Wen.

Der nächste Schritt für die Forscher besteht darin, MUSIC weiter zu optimieren, sodass es zur Identifizierung von Faktoren – wie regulatorischen Genen und genetischen Schaltkreisen – verwendet werden kann, die für die beschleunigte Alterung bestimmter Gehirnzellen verantwortlich sind.

„Wir werden dann Strategien entwickeln, um die Aktivität dieser Gene oder Schaltkreise zu unterdrücken, in der Hoffnung, die Alterung des Gehirns zu verlangsamen“, sagte Zhong.

Die Ergebnisse der Arbeit werden in einem Artikel in der Zeitschrift Nature ausführlich beschrieben.