„MUSIC map“ zeigt, dass manche Gehirnzellen schneller altern

Ingenieure der University of California in San Diego haben entdeckt, dass einige Gehirnzellen schneller altern als andere und bei Menschen mit Alzheimer-Krankheit überproportional häufig vorkommen. Darüber hinaus beobachteten die Forscher Unterschiede im Alterungsprozess bestimmter Gehirnzellen je nach Geschlecht: In der Großhirnrinde von Frauen gab es einen höheren Anteil „alter“ Oligodendrozyten im Vergleich zu „alten“ Neuronen als in der Großhirnrinde von Männern.

Diese Entdeckungen wurden durch eine neue Technik namens MUSIC (Mapping of nuclear acid interactions in single cells) möglich, die es Forschern ermöglicht, in einzelne Gehirnzellen hineinzuschauen und die Interaktionen zwischen Chromatin – der eng gefalteten Form der DNA – und RNA abzubilden. Diese Technik ermöglicht es uns, diese Interaktionen auf Einzelzellebene zu visualisieren und zu untersuchen, wie sie die Genexpression beeinflussen.

„MUSIC ist ein leistungsstarkes Werkzeug, mit dem wir tiefer in die komplexen Aspekte der Alzheimer-Krankheit eintauchen können“, sagte der leitende Studienautor Sheng Zhong, Shu Chien-Professor für Bioengineering. Gena Lai an der Jacobs School of Engineering der University of California, San Diego.

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

Das menschliche Gehirn enthält ein komplexes Netzwerk von Zellen, die auf komplexe Weise kommunizieren und interagieren. In jeder dieser Zellen gibt es eine dynamische Interaktion genetischer Komponenten, einschließlich Chromatin und RNA, die wesentliche Zellfunktionen bestimmen. Wenn Gehirnzellen wachsen und altern, verändern sich diese Interaktionen zwischen Chromatin und RNA. Und in jeder Zelle können diese Komplexe stark variieren, insbesondere in reifen Zellen. Die Entschlüsselung der Feinheiten dieser Interaktionen blieb jedoch eine Herausforderung.

Die MUSIC-Technik kam zur Rettung und bietet die Möglichkeit, die inneren Abläufe einzelner Gehirnzellen zu untersuchen. Mithilfe von MUSIC analysierte Zhongs Team postmortale Gehirnproben, insbesondere menschliches Frontalkortexgewebe, das von 14 Spendern im Alter von 59 Jahren oder älter gewonnen wurde, von denen einige an Alzheimer litten, andere nicht.

Sie fanden heraus, dass verschiedene Arten von Gehirnzellen unterschiedliche Interaktionsmuster zwischen Chromatin und RNA aufweisen. Interessanterweise neigten Zellen mit weniger kurzen Chromatininteraktionen dazu, Anzeichen von Alterung und Alzheimer zu zeigen.

„Durch die Verwendung dieser bahnbrechenden Technologie zur Analyse einzelner Zellen stellten wir fest, dass einige Gehirnzellen älter sind als andere“, sagte Zhong. Er erklärte, dass Menschen mit Alzheimer-Krankheit im Vergleich zu gesunden Menschen eine höhere Anzahl dieser alten Gehirnzellen hätten.

Forscher glauben, dass diese Entdeckung dazu beitragen könnte, neue Behandlungsmethoden für die Alzheimer-Krankheit zu entwickeln.

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

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

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

Als nächstes werden die Forscher daran arbeiten, MUSIC weiter zu optimieren, um damit Faktoren – wie regulatorische Gene und genetische Schaltkreise – zu identifizieren, 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 ausführlich in einem Artikel beschrieben, der in Nature veröffentlicht wurde Magazin.