Исследователи из Медицинской школы Икана при Маунт-Синай пролили свет на тонкие функции и сложные регуляторные методы редактирования РНК — важнейший механизм, лежащий в основе развития мозга и возникновения заболеваний.

В исследовании, опубликованном 26 июня в журнале Nature Communications , группа сообщила об обнаружении существенных различий между посмертными и живыми тканями префронтальной коры головного мозга, связанных с одной из самых распространенных модификаций РНК в мозге, известной как редактирование аденозина в инозин (A в I).

Это открытие сыграет важную роль в формировании методов диагностики и лечения заболеваний головного мозга .

В то время как ДНК содержит генетический план человека, РНК фактически выполняет его инструкции по созданию функциональных белков, которые играют важную роль в функционировании организма, включая сложные функции центральной нервной системы. Функция и стабильность РНК контролируются множеством модификаций, каждая из которых имеет определенную цель.

Эти модификации, известные как редактирование РНК, являются непрерывным процессом, происходящим во всех наших клетках и тканях, которому способствуют ферменты, известные как ADAR. Этот процесс может продолжаться в отдельных клетках в течение некоторого времени после смерти человека, частью тканей которого были эти клетки.

Превращение аденозиновых нуклеозидов в инозин (A-в-I) является распространенной и хорошо изученной модификацией РНК и регулируется белками семейства ADAR, в первую очередь ADAR1 и ADAR2.

В мозге млекопитающих были обнаружены тысячи высокорегулируемых участков редактирования A-to-I в анатомических областях и типах клеток, некоторые из них исследователями горы Синай. Известно, что эти участки участвуют в созревании нейронов и развитии мозга . Аберрантная регуляция редактирования A-to-I связана с неврологическими расстройствами.

«До сих пор изучение редактирования A-to-I и его биологического значения в мозге млекопитающих ограничивалось анализом посмертных тканей. Используя свежие образцы живых особей, мы смогли обнаружить существенные различия в активности редактирования РНК, которые предыдущие исследования, опирающиеся только на посмертные образцы, могли упустить из виду», — сказал Майкл Брин, доктор философии, соавтор исследования и доцент кафедры психиатрии, генетики и геномных наук в Icahn Mount Sinai.

«Мы были особенно удивлены, обнаружив, что уровни редактирования РНК были значительно выше в посмертной мозговой ткани по сравнению с живой тканью, что, вероятно, связано с посмертными изменениями, такими как воспаление и гипоксия, которые не происходят в живом мозге.

«Кроме того, мы обнаружили, что редактирование РНК в живой ткани, как правило, затрагивает эволюционно консервативные и функционально важные участки, которые также нарушаются при заболеваниях человека, что подчеркивает необходимость изучения как живых, так и посмертных образцов для всестороннего понимания биологии мозга».

После смерти недостаток кислорода быстро повреждает клетки мозга, вызывая необратимый каскад повреждений, которые могут изменить экспрессию ADAR и редактирование A-to-I.

«Мы выдвинули гипотезу, что молекулярные реакции на гипоксические и иммунные реакции, вызванные посмертно, могут существенно изменить ландшафт редактирования A-to-I. Это может привести к недопониманию редактирования РНК в мозге, если мы будем изучать только посмертные ткани», — сказал Мигель Родригес де лос Сантос, доктор философии, соавтор исследования и научный сотрудник кафедры психиатрии в Маунт-Синай.

«Изучение живой мозговой ткани дает нам более ясную картину биологии редактирования РНК в мозге человека».

Для проведения исследования исследовательская группа связала свое исследование с проектом «Живой мозг» , в рамках которого ткани дорсолатеральной префронтальной коры (ДЛПФК) живых людей извлекаются во время нейрохирургических процедур для глубокой стимуляции мозга — планового лечения неврологических заболеваний.

Для сравнения была собрана когорта посмертных тканей DLPFC из трех банков мозга, чтобы соответствовать живой когорте по ключевым демографическим и клиническим переменным. Команда исследовала несколько типов геномных данных из проекта Living Brain Project, включая выборку РНК большой массы ткани, секвенирование РНК отдельных ядер и секвенирование всего генома. Получение этих данных описывается в нескольких готовящихся рукописях проекта Living Brain Project.

Исследователи выявили более 72 000 мест, где редактирование A-to-I происходит чаще или по-другому в посмертной, чем в живой мозговой ткани DLPFC. Они обнаружили более высокие уровни ферментов ADAR и ADARB1, которые отвечают за повышенные паттерны редактирования в посмертных мозговых тканях. Интересно, что они также обнаружили сотни мест с более высокими уровнями редактирования A-to-I в живой мозговой ткани.

Эти участки в основном находятся в соединениях между нейронами (называемых синапсами) и, как правило, сохраняются в ходе эволюции, что позволяет предположить, что они играют важную роль в деятельности мозга.

Некоторые известные сайты редактирования A-to-I были сильно отредактированы в живом мозге, что указывает на то, что они могут быть вовлечены в критические нейронные процессы, такие как синаптическая пластичность, которая необходима для обучения и памяти. Однако многие другие сайты редактирования A-to-I, обнаруженные в живых тканях мозга, имеют неясные функции, и необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять их влияние на здоровье мозга.

«Использование свежей мозговой ткани от живых доноров-людей дало нам возможность исследовать мозг без затруднений, присущих посмертному анализу тканей», — сказал Александр В. Чарни, доктор медицины, доктор философии, соавтор исследования и доцент кафедры психиатрии, генетических и геномных наук, нейронауки и нейрохирургии в Icahn Mount Sinai и соруководитель проекта «Живой мозг».

«Таким образом, мы получили более точные сведения о распространенности и роли редактирования A-to-I в человеческом мозге. Важно отметить, что наши результаты не отрицают, а вместо этого предоставляют недостающий контекст для использования посмертных тканей мозга в исследовании регуляции A-to-I.

«Понимание этих различий помогает улучшить наши знания о функциях и заболеваниях мозга через призму модификаций редактирования РНК, что потенциально может привести к улучшению диагностических и терапевтических подходов».

Исследовательская группа будет и дальше анализировать данные по редактированию РНК, чтобы лучше понять их значение и определить потенциальные терапевтические цели для болезни Паркинсона. Они также расширяют исследование, чтобы включить в него новые работы этой когорты, которые фокусируются на экспрессии генов, протеомике и мультиомике живого мозга.

«Используя уникальный, трансдисциплинарный характер проекта «Живой мозг», мы можем превратить передовой метод клинической помощи, такой как глубокая стимуляция мозга, в платформу для беспрецедентного понимания биологии человеческого мозга, которое откроет новые терапевтические возможности», — сказал Брайан Копелл, доктор медицины, один из первых авторов исследования, директор Центра нейромодуляции в Маунт-Синай и соруководитель проекта «Живой мозг».