A doença de Alzheimer afeta mais de 6 milhões de pessoas nos Estados Unidos e existem muito poucos tratamentos aprovados pela FDA que podem retardar a progressão da doença.

Na esperança de descobrir novos alvos para potenciais tratamentos de Alzheimer, os investigadores do MIT realizaram a análise mais ampla até agora das alterações genômicas, epigenômicas e transcriptômicas que ocorrem em todos os tipos de células nos cérebros dos pacientes de Alzheimer.

Usando mais de 2 milhões de células de mais de 400 amostras cerebrais post-mortem, os pesquisadores analisaram como a expressão genética é interrompida à medida que a doença de Alzheimer progride. Eles também rastrearam mudanças nas modificações epigenômicas das células, que ajudam a determinar quais genes estão ativados ou desativados em uma determinada célula. Juntas, essas abordagens oferecem o quadro mais detalhado até agora das bases genéticas e moleculares da doença de Alzheimer.

Os pesquisadores relatam suas descobertas em um conjunto de quatro artigos publicados hoje na Cell. Os estudos foram liderados por Li-Huei Tsai, diretor do Instituto Picower de Aprendizagem e Memória do MIT, e Manolis Kellis, professor de ciência da computação no Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial (CSAIL) do MIT e membro do Broad Institute do MIT e Harvard.

“O que nos propusemos a fazer foi combinar nossos conhecimentos computacionais e biológicos e dar uma olhada imparcial na doença de Alzheimer em uma escala sem precedentes em centenas de indivíduos – algo que nunca foi realizado antes”, diz Kellis.

As descobertas sugerem que uma interação de alterações genéticas e epigenéticas se alimentam umas das outras para impulsionar as manifestações patológicas da doença.

“É um processo multifatorial”, diz Tsai. “Esses artigos juntos usam abordagens diferentes que apontam para um quadro convergente da doença de Alzheimer, onde os neurônios afetados têm defeitos em seu genoma 3D, e isso é causal para muitos dos fenótipos da doença que vemos”.

Muitos esforços para desenvolver medicamentos para a doença de Alzheimer concentraram-se nas placas amilóides que se desenvolvem no cérebro dos pacientes. No seu novo conjunto de estudos, a equipa do MIT procurou descobrir outras abordagens possíveis, analisando os fatores moleculares da doença, os tipos de células mais vulneráveis e as vias biológicas subjacentes que impulsionam a neurodegeneração.

Para esse fim, os pesquisadores realizaram análises transcriptômicas e epigenômicas em 427 amostras cerebrais do Projeto de Estudo de Ordens Religiosas/Memória e Envelhecimento (ROSMAP), um estudo longitudinal que rastreou mudanças de memória, motoras e outras alterações relacionadas à idade em pessoas idosas desde 1994. Estas amostras incluíram 146 pessoas sem comprometimento cognitivo, 102 com comprometimento cognitivo leve e 144 com diagnóstico de demência associada ao Alzheimer.

No primeiro artigo da Cell, focado em alterações na expressão genética, os pesquisadores usaram sequenciamento de RNA unicelular para analisar os padrões de expressão genética de 54 tipos de células cerebrais dessas amostras e identificaram funções celulares que foram mais afetadas em pacientes com Alzheimer. Entre os mais proeminentes, encontraram deficiências na expressão de genes envolvidos na função mitocondrial, sinalização sináptica e complexos proteicos necessários para manter a integridade estrutural do genoma.

Este estudo de expressão genética, liderado pelo ex-pós-doutorado do MIT Hansruedi Mathys, pelo estudante de graduação Zhuyu (Verna) Peng e pelo ex-aluno de pós-graduação Carles Boix, também descobriu que as vias genéticas relacionadas ao metabolismo lipídico foram altamente interrompidas. Num trabalho publicado na Nature no ano passado, os laboratórios Tsai e Kellis mostraram que o risco genético mais forte para a doença de Alzheimer, chamado APOE4, interfere com o metabolismo lipídico normal, o que pode levar a defeitos em muitos outros processos celulares.

No estudo liderado por Mathys, os pesquisadores também compararam padrões de expressão genética em pessoas que apresentavam deficiências cognitivas e naquelas que não apresentavam, incluindo algumas que permaneciam agudas apesar de terem algum grau de acúmulo de amiloide no cérebro, um fenômeno conhecido como resiliência cognitiva. Essa análise revelou que as pessoas cognitivamente resilientes tinham populações maiores de dois subconjuntos de neurônios inibitórios no córtex pré-frontal. Em pessoas com demência associada à doença de Alzheimer, essas células parecem ser mais vulneráveis à neurodegeneração e à morte celular.

“Esta revelação sugere que populações específicas de neurônios inibitórios podem ser a chave para manter a função cognitiva mesmo na presença da patologia de Alzheimer”, diz Mathys. “Nosso estudo aponta esses subtipos específicos de neurônios inibitórios como um alvo crucial para pesquisas futuras e tem o potencial de facilitar o desenvolvimento de intervenções terapêuticas destinadas a preservar as habilidades cognitivas em populações idosas.”

No segundo artigo da Cell , liderado pelo ex-pós-doutorado do MIT Xushen Xiong, pelo estudante de graduação Benjamin James e pelo ex-aluno de pós-graduação Carles Boix PhD '22, os pesquisadores examinaram algumas das mudanças epigenômicas que ocorreram em 92 pessoas, incluindo 48 indivíduos saudáveis e 44 com Alzheimer em estágio inicial ou tardio. Mudanças epigenômicas são alterações nas modificações químicas ou no empacotamento do DNA que afetam o uso de um gene específico em uma determinada célula.

Para medir essas mudanças, os pesquisadores usaram uma técnica chamada ATAC-Seq, que mede a acessibilidade de locais no genoma com resolução unicelular. Ao combinar esses dados com dados de sequenciamento de RNA unicelular, os pesquisadores conseguiram vincular informações sobre o quanto um gene é expresso com dados sobre o quão acessível esse gene é. Eles também poderiam começar a agrupar genes em circuitos reguladores que controlam funções celulares específicas, como a comunicação sináptica – a principal forma pela qual os neurônios transmitem mensagens por todo o cérebro.

Usando esta abordagem, os investigadores conseguiram rastrear mudanças na expressão genética e na acessibilidade epigenômica que ocorrem em genes que foram anteriormente associados à doença de Alzheimer. Eles também identificaram os tipos de células com maior probabilidade de expressar esses genes ligados a doenças e descobriram que muitos deles ocorrem com mais frequência na microglia, as células do sistema imunológico responsáveis pela eliminação de resíduos do cérebro.

Este estudo também revelou que cada tipo de célula no cérebro sofre um fenómeno conhecido como erosão epigenômica à medida que a doença de Alzheimer progride, o que significa que o padrão normal das células de locais genômicos acessíveis é perdido, o que contribui para a perda da identidade celular.

Em um terceiro artigo da Cell , liderado pelo estudante de pós-graduação do MIT Na Sun e pelo cientista pesquisador Matheus Victor, os pesquisadores se concentraram principalmente na microglia, que constitui de 5 a 10 por cento das células do cérebro. Além de limpar os detritos do cérebro, essas células imunológicas também respondem a lesões ou infecções e ajudam os neurônios a se comunicarem entre si.

Este estudo baseia-se em um artigo de 2015 de Tsai e Kellis, no qual eles descobriram que muitas das variantes do estudo de associação genômica ampla (GWAS) associadas à doença de Alzheimer são predominantemente ativas em células imunológicas como a microglia, muito mais do que em neurônios ou outros tipos de células cerebrais.

No novo estudo, os pesquisadores usaram o sequenciamento de RNA para classificar a microglia em 12 estados diferentes, com base em centenas de genes que são expressos em diferentes níveis durante cada estado. Eles também mostraram que à medida que a doença de Alzheimer progride, mais micróglias entram em estados inflamatórios. O laboratório Tsai também demonstrou anteriormente que, à medida que ocorre mais inflamação no cérebro, a barreira hematoencefálica começa a degradar-se e os neurónios começam a ter dificuldade em comunicar uns com os outros.

Ao mesmo tempo, existem menos micróglias no cérebro com Alzheimer, num estado que promove a homeostase e ajuda o cérebro a funcionar normalmente. Os pesquisadores identificaram fatores de transcrição que ativam os genes que mantêm a micróglia nesse estado homeostático, e o laboratório Tsai está agora explorando maneiras de ativar esses fatores, na esperança de tratar a doença de Alzheimer, programando a micróglia indutora de inflamação para voltar a um estado homeostático. .

No quarto estudo Cell , liderado pelos cientistas do MIT Vishnu Dileep e Boix, os pesquisadores examinaram como os danos ao DNA contribuem para o desenvolvimento da doença de Alzheimer. Trabalhos anteriores do laboratório de Tsai mostraram que danos no DNA podem aparecer nos neurônios muito antes do aparecimento dos sintomas de Alzheimer. Este dano é em parte uma consequência do fato de, durante a formação da memória, os neurónios criarem muitas quebras de ADN de cadeia dupla. Essas quebras são prontamente reparadas, mas o processo de reparo pode tornar-se defeituoso à medida que os neurônios envelhecem.

Este quarto estudo descobriu que à medida que mais danos no DNA se acumulam nos neurônios, torna-se mais difícil para eles reparar os danos, levando a rearranjos do genoma e defeitos de dobramento 3D.

“Quando há muitos danos no DNA dos neurônios, as células, na tentativa de recompor o genoma, cometem erros que causam rearranjos”, diz Dileep. “A analogia que gosto de usar é que se você tiver uma rachadura em uma imagem, você pode facilmente montá-la novamente, mas se você quebrar uma imagem e tentar juntá-la novamente, você cometerá erros.”

Esses erros de reparo também levam a um fenômeno conhecido como fusão genética, que ocorre quando ocorrem rearranjos entre genes, levando à desregulação dos genes. Juntamente com os defeitos no dobramento do genoma, estas alterações parecem afetar predominantemente os genes relacionados com a atividade sináptica, provavelmente contribuindo para o declínio cognitivo observado na doença de Alzheimer.

As descobertas levantam a possibilidade de procurar formas de melhorar a capacidade de reparação do ADN dos neurónios como forma de retardar a progressão da doença de Alzheimer, dizem os investigadores.

Além disso, o laboratório de Kellis espera agora usar algoritmos de inteligência artificial, como modelos de linguagem de proteínas, redes neurais gráficas e grandes modelos de linguagem, para descobrir medicamentos que possam ter como alvo alguns dos genes-chave que os pesquisadores identificaram nesses estudos.

Os pesquisadores também esperam que outros cientistas utilizem seus dados genômicos e epigenômicos. “Queremos que o mundo utilize estes dados”, diz Kellis. “Criamos repositórios on-line onde as pessoas podem interagir com os dados, acessá-los, visualizá-los e realizar análises dinamicamente.”

A pesquisa foi financiada, em parte, pelos Institutos Nacionais de Saúde e pelo consórcio Cure Alzheimer's Foundation CIRCUITS.