Академгородок. Исследователи ИЦиГ СО РАН и НГУ определили генетические варианты, которые могут быть связаны с ранним началом болезни Паркинсона
Генетические варианты, потенциально ассоциированные с ранним началом болезни Паркинсона, выявила студентка 2 курса магистратуры Факультета естественных наук Новосибирского государственного университета Алена Сафонова под научным руководством кандидата биологических наук, старшего научного сотрудника лаборатории эпигенетики развития Института цитологии и генетики СО РАН Анастасии Малаховой. Исследование выполнялось в рамках проекта ИЦИГ СО РАН «Поиск и ранжирование генетических вариантов, потенциально ассоциированных с ранним началом болезни Паркинсона» при поддержке гранта Фонда научно-технологического развития Югры № 2025-627-05.
Болезнь Паркинсона — это медленно прогрессирующее хроническое заболевание головного мозга, при котором гибнут нервные клетки (нейроны) в черной субстанции, вырабатывающие дофамин. Нехватка этого вещества приводит к нарушению контроля над движениями и широкому спектру других расстройств. Данное заболевание является наиболее частым нейродегенеративным заболеванием после болезни Альцгеймера. Чаще всего первые симптомы появляются в 55—60 лет. Однако в ряде случаев болезнь может развиться и в возрасте до 40 лет (болезнь Паркинсона с ранним началом) или до 20 лет (ювенильная форма заболевания). Полностью победить болезнь средствами современной медицины пока невозможно, но существующая терапия позволяет эффективно контролировать симптомы, улучшить качество жизни больного и замедлить прогрессирование болезни. Причина болезни Паркинсона окончательно не выяснена, однако факторами риска считаются старение, генетическая предрасположенность, воздействие факторов окружающей среды. Известно, что в 5–10% случаев заболевание связано с наследственными мутациями генов. В остальных случаях причина возникновения заболевания остается неизвестной, и в настоящее время ведется поиск новых генов или генетических вариантов в уже известных генах, ответственных за развитие болезни Паркинсона.
— Мы сконцентрировали свои усилия на случаях возникновения болезни Паркинсона в раннем возрасте. Почти всегда они возникают внезапно и, казалось бы, беспричинно. До сих пор не удается полностью объяснить причины, которые могли бы вызывать это заболевание в раннем возрасте. А это значит, что существует большое количество еще не идентифицированных генетических факторов, которые могут вносить вклад в развитие болезни. Есть основание предполагать, что у пациентов с такой идиопатической формой заболевания присутствует не одно нарушение, а целый комплекс менее выраженных дисфункций одновременно. Каждая из них в отдельности может иметь умеренный эффект, но в совокупности они приводят к развитию заболевания. В рамках данной гипотезы митохондриальная дисфункция играет важную роль, так как на митохондриях замыкаются ключевые клеточные процессы, такие как окислительное фосфорилирование, энергетический метаболизм, регуляция апоптоза. Таким образом, поиск генетических причин развития болезни Паркинсона в результате митохондриальной дисфункции важен для развития методов диагностики и лечения данного заболевания, — объяснила Алена Сафонова.
В своей работе исследователи использовали данные 35 пациентов с ранним началом болезни Паркинсона Федерального центра нейрохирургии (г. Новосибирск) в возрасте моложе 50 лет. С использованием программного обеспечения Genomenal был проведен анализ данных экзомного секвенирования этих больных. Данный метод позволяет расшифровать все белок-кодирующие участки ДНК в геноме человека. В ходе анализа были выявлены различные замены нуклеотидов в сравнении с референсным геномом и определены гены, в которых эти замены встречаются. Затем проведено ранжирование этих генов в соответствии с их функциональной схожестью с уже известными генами паркинсонизма, ассоциированными с этим заболеванием.
— По результатам экзомного секвенирования нами было отобрано более 5 тысяч генов, в которых встречаются редкие генетические варианты, приводящие к миссенс-заменам, сдвигу рамки считывания или образованию стоп-кодона в структурах мРНК или белковых молекулах, кодируемых данными генами. Функциональная группировка этих генов показала обогащение 357 путей и биологических процессов, из которых мы отобрали 13, связанных с патогенезом болезни Паркинсона. Входящие в эти пути 836 генов ранжировали по степени функционального сходства с уже известными генами паркинсонизма, после чего сформировали список из 328 генов-кандидатов, генетические варианты в которых потенциально могут приводить к болезни Паркинсона. В этом заключалась биоинформатическая часть нашего исследования, целью которой был поиск и ранжирование генетических вариантов, потенциально ассоциированных с развитием болезни Паркинсона. Во второй его части мы провели отбор кандидатных вариантов и на данный момент занимаемся их проверкой на дофаминергических нейронах, дифференцированных из стволовых клеток пациентов из нашей выборки, — рассказала Алена Сафонова.
На данном этапе ученые сконцентрировали свое внимание на дисфункции «энергетических станций» клеток — митохондрий. Это микроскопические двумембранные органеллы клеток эукариот, которые вырабатывают основную часть энергии АТФ в процессе клеточного дыхания. Известно, что данное заболевание характеризуется в первую очередь именно нарушением митохондриальных функций. В ходе работы исследователи определяли, какие генетические варианты, потенциально ассоциированные с болезнью Паркинсона, влияют на работу митохондрий. Для этого были применены плюрипотентные стволовые клетки человека пациентов из выборки, а также контрольные образцы.
Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) — это особый тип клеток, способных превращаться в производные всех трех первичных зародышевых листков (эктодермы, энтодермы и мезодермы) и давать начало почти любым типам клеток взрослого организма. Самая сложная и трудоемкая часть работы в рамках данного исследования — их получение и дальнейшая дифференцировка в нужный для исследования тип клеток. Для этого используются клетки крови пациентов, из них мы получаем ИПСК — это взрослые соматические клетки, которые в лабораторных условиях возвращают в плюрипотентное состояние с помощью генетического репрограммирования. Для этого в клетки вводят определенные плазмиды — кольцевые молекулы ДНК, содержащие гены плюрипотентности, то есть состояния, когда клетка еще «не определилась», во что именно она превратится. На данном этапе мы, по сути, управляем ее судьбой. ИПСК способны превращаться практически в любые типы клеток организма, подобно эмбриональным стволовым клеткам, только эмбрионы при этом не потребуются. В ходе направленной дифференцировки ученые превращали плюрипотентные стволовые клетки в нейроны. Получение нейрональных клеток таким методом — это очень трудоемкий процесс, у которого имеется очень много ограничивающих факторов, а эффективность дифференцировки не всегда соответствует ожиданиям. Дифференцировка занимает 2 месяца, не считая времени, потраченного на получение стволовых клеток и иные необходимые процедуры.
— На данном этапе мы получили нейрональные клетки пациентов, и в ближайшем будущем займемся оценкой их метаболизма. Мы рассчитываем выявить новые генетические варианты, которые ранее не были ассоциированы с болезнью Паркинсона, но тем не менее могут иметь влияние на ее развитие. Оценка проявления патологических процессов в культурах нейронов, дифференцированных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток пациентов, поможет уточнить статус патогенности и вклад найденных генетических вариантов в развитие болезни Паркинсона, что позволит расширить возможности ранней диагностики данного заболевания или определения предрасположенности к ее развитию, — пояснила Алена Сафонова.
Пресс-служба Новосибирского государственного университета