Ученые выявили удивительный «захват» мозговых клеток в среднем возрасте

Фото из открытых источников

Стареющий человеческий мозг — это удивительная вещь, потому что в некотором смысле он с возрастом улучшается, но чаще всего мы слышим о том, как он ухудшается. И это понятно! В конце концов, существует множество нейродегенеративных заболеваний, которыми никто из нас не хотел бы заболеть.

Предыдущие исследования показали, что некоторые из, казалось бы, неизбежных ухудшений состояния мозга, часто наблюдаемых у людей в возрасте 70 и 80 лет, начинаются в среднем возрасте.

Известно, что ухудшение состояния обусловлено генетическими факторами, которые приводят к усилению воспаления в клетках и снижению синаптической функции (способа передачи информации в головном мозге).

Согласно новому всестороннему исследованию, результаты которого были опубликованы в журнале Science, эти генетические изменения меняют саму архитектуру иммунного клеточного ландшафта головного мозга, преобразуя один тип клеток в другой. 

Используя беспрецедентное сочетание генетических, эпигенетических методов и трехмерного картирования генома, исследователи проанализировали почти 320 000 клеток из гиппокампа — области мозга, имеющей решающее значение для памяти, обучения и навигации, — взятых у 40 здоровых людей в возрасте от 20 до 95 лет.

Исследование показывает, что старение — это не просто вопрос повышения или понижения активности генов. Напротив, оно включает в себя скоординированные изменения в молекулярных системах, контролирующих эти гены.

Мозг претерпевает значительные изменения, начиная со среднего возраста, что указывает на начало деменции. Одно из самых интересных открытий исследования касается микроглии — резидентных иммунных клеток головного мозга.

На протяжении десятилетий ученые считали, что эти клетки образуются еще до рождения из желточного мешка эмбриона, а затем в значительной степени сохраняются на протяжении всей жизни.

Однако новые данные свидетельствуют о том, что в возрасте от 50 до 75 лет многие из этих первоначальных микроглиальных клеток заменяются моноцитами — клетками, которые, по-видимому, произошли из кровотока. (Моноциты — это тип крупных белых кровяных клеток, которые обычно очищают кровь от мусора и защищают от микробов.) 

Исследователи не смогли напрямую доказать, что эти новоприбывшие клетки происходят из костного мозга, как это обычно бывает с моноцитами, но их метилирование ДНК — химические метки, сохраняющие «память» клетки о развитии — выглядело поразительно похожим на метилирование обычных моноцитов крови и очень отличалось от метилирования исходных эмбриональных микроглиальных клеток. 

К 80 годам эти моноцитоподобные клетки стали доминирующей популяцией в большинстве исследованных образцов мозга.

Важно отметить, что эти замещающие клетки обладают более выраженными воспалительными признаками, что потенциально помогает объяснить, почему хроническое воспаление мозга становится все более распространенным с возрастом и связано с такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера.

Еще одно поразительное открытие, сделанное в ходе исследования, касалось астроцитов — звездообразных клеток, которые питают нейроны, регулируют нейротрансмиттеры и помогают поддерживать гематоэнцефалический барьер. Их численность в гиппокампе неуклонно снижалась с возрастом – неожиданный результат.

Выжившие астроциты также, по-видимому, испытывали трудности. Гены, участвующие в производстве АТФ — основного источника энергии клетки, — стали менее активными, в то время как гены, участвующие в клеточной переработке, стали более активными.

В совокупности полученные результаты позволяют предположить, что стареющие астроциты могут столкнуться с «энергетическим кризисом», который способствует их исчезновению.

Исследователи также обнаружили доказательства того, что старение влияет на саму физическую организацию генома.

Внутри клеточных ядер ДНК сворачивается в сложную трехмерную структуру, которая помогает определить, какие гены могут взаимодействовать. Практически во всех исследованных типах клеток эта организация постепенно разрушалась с возрастом.

Хромосомные участки стали менее чётко выраженными, а белки, ответственные за поддержание этой архитектуры, по-видимому, стали менее эффективно связываться с ДНК.

Если сложить все эти изменения воедино, становится ясно, что эти «прогрессирующие структурные нарушения были тесно связаны со сдвигами в регуляции генов и клеточной идентичности, потенциально раскрывая фундаментальную особенность старения человеческого мозга», — заявил Бинг Рен из Колумбийского университета. 

Многие из этих изменений происходили не постепенно. Вместо этого исследователи выявили четкую переломную точку примерно в возрасте 50 лет, когда активность генов и эпигенетические маркеры начинают меняться более резко.

Аналогичные переломные моменты в середине жизни недавно были отмечены и в других органах, что подтверждает идею о том, что биологическое старение может ускоряться в отдельных фазах, а не следовать плавному спаду.

Исследователи также изучали различия между мужчинами и женщинами.

Хотя общие закономерности старения были в некоторой степени схожи, молекулярные изменения, как правило, сильнее коррелировали с возрастом у мужчин в большинстве типов клеток.

Целью исследования не было объяснение причин их возникновения, но полученные результаты указывают на то, что старение гиппокампа может происходить по разным траекториям у мужчин и женщин.

Поскольку исследователям приходится иметь дело с реальностью (например, с временными рамками исследований в месяцах или годах, а не в целой жизни) – а не с идеальными обстоятельствами – они не смогли измерить мозг одних и тех же людей на разных этапах жизни.

Они проанализировали посмертные образцы мозговой ткани, получив таким образом снимки разных людей, которые, очевидно, прожили разную жизнь и имели разные гены. 

Тем не менее, благодаря сочетанию методов анализа и понимания старения мозга, это исследование поднимает вопрос о том, что в процессе старения наш мозг подвергается гораздо большей клеточной перестройке, чем предполагалось ранее.

Что это значит, и как мы можем изменить этот процесс, чтобы все мы могли сохранить здоровье мозга до конца жизни?

В этом и заключается смысл данной работы: «Понимание этих клеточных переходов может открыть новые возможности для разработки методов лечения, которые сохранят функции мозга и снизят уязвимость к нейродегенеративным заболеваниям», — заявил Сянминь Сюй из Калифорнийского университета в Ирвайне.