A maioria das pessoas reconhece a doença de Alzheimer por seus sintomas devastadores, como a perda de memória, enquanto novos medicamentos visam aspectos patológicos das manifestações da doença, como placas de proteínas amiloides. Agora, um novo e abrangente estudo de acesso aberto publicado na edição de 4 de setembro da revista Cell , por pesquisadores do MIT, demonstra a importância de compreender a doença como uma batalha sobre o quão bem as células cerebrais controlam a expressão de seus genes. O estudo pinta um quadro de alta resolução de uma luta desesperada para manter a expressão e a regulação gênica saudáveis, onde as consequências do fracasso ou do sucesso são nada menos do que a perda ou a preservação da função e da cognição celular.

O estudo apresenta um atlas multimodal inédito de expressão gênica combinada e regulação gênica, abrangendo 3,5 milhões de células de seis regiões cerebrais, obtido por meio da análise de 384 amostras de cérebro post-mortem de 111 doadores. Os pesquisadores analisaram tanto o "transcriptoma", que mostra quais genes são expressos em RNA, quanto o "epigenoma", o conjunto de modificações cromossômicas que estabelecem quais regiões do DNA são acessíveis e, portanto, utilizadas entre diferentes tipos de células.

O atlas resultante revelou muitos insights que mostram que a progressão da doença de Alzheimer é caracterizada por duas tendências epigenômicas principais. A primeira é que células vulneráveis em regiões-chave do cérebro sofrem uma ruptura dos rigorosos "compartimentos" nucleares que normalmente mantêm para garantir que algumas partes do genoma estejam abertas para expressão, enquanto outras permanecem bloqueadas. A segunda descoberta importante é que células suscetíveis sofrem uma perda de "informação epigenômica", o que significa que perdem o controle sobre o padrão único de regulação e expressão gênica que lhes confere sua identidade específica e permite seu funcionamento saudável.

Acompanhando as evidências de compartimentação comprometida e a erosão da informação epigenômica, encontram-se muitas descobertas específicas que identificam circuitos moleculares que se decompõem por tipo de célula, região e rede genética. Eles descobriram, por exemplo, que quando as condições epigenômicas se deterioram, isso abre caminho para a expressão de muitos genes associados a doenças, enquanto que, se as células conseguem manter sua estrutura epigenômica em ordem, conseguem manter os genes associados a doenças sob controle. Além disso, os pesquisadores observaram claramente que, quando as decomposições epigenômicas ocorriam, as pessoas perdiam a capacidade cognitiva, mas onde a estabilidade epigenômica permanecia, a cognição também perdia.

“Para entender o circuito, a lógica responsável pelas mudanças na expressão gênica na doença de Alzheimer [DA], precisávamos entender a regulação e o controle a montante de todas as mudanças que estão ocorrendo, e é aí que entra o epigenoma”, afirma o autor sênior Manolis Kellis , professor do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial e chefe do Grupo de Biologia Computacional do MIT . “Este é o primeiro atlas de regulação gênica multirregional, unicelular e em larga escala da DA, que disseca sistematicamente a dinâmica dos programas epigenômicos e transcriptômicos ao longo da progressão e resiliência da doença.”

Ao fornecer esse exame detalhado dos mecanismos epigenômicos da progressão do Alzheimer, o estudo fornece um modelo para a criação de novos tratamentos para o Alzheimer que podem atingir fatores subjacentes à ampla erosão do controle epigenômico ou às manifestações específicas que afetam os principais tipos de células, como neurônios e células gliais de suporte.

“A chave para o desenvolvimento de tratamentos novos e mais eficazes para a doença de Alzheimer depende do aprofundamento da nossa compreensão dos mecanismos que contribuem para as falhas nas funções celulares e de rede no cérebro”, afirma o professor Picower e coautor correspondente Li-Huei Tsai , diretor do Instituto Picower para Aprendizagem e Memória e membro fundador da Iniciativa do Cérebro Envelhecido do MIT , juntamente com Kellis. “Esses novos dados avançam a nossa compreensão de como os fatores epigenômicos impulsionam a doença.”

Os membros do Kellis Lab, Zunpeng Liu e Shanshan Zhang, são os coautores principais do estudo.

Entre as amostras de cérebro post-mortem do estudo, 57 vieram de doadores do Religious Orders Study ou do Rush Memory and Aging Project (conhecidos coletivamente como "ROSMAP") que não apresentavam patologia ou sintomas de Alzheimer, enquanto 33 vieram de doadores com patologia em estágio inicial e 21 vieram de doadores em estágio avançado. As amostras, portanto, forneceram informações valiosas sobre os sintomas e a patologia que cada doador apresentava antes da morte.

No novo estudo, Liu e Zhang combinaram análises de sequenciamento de RNA de célula única das amostras, que mede quais genes estão sendo expressos em cada célula, e ATACseq, que mede se as regiões cromossômicas estão acessíveis para a expressão gênica. Consideradas em conjunto, essas medidas transcriptômicas e epigenômicas permitiram aos pesquisadores compreender os detalhes moleculares de como a expressão gênica é regulada em sete classes amplas de células cerebrais (por exemplo, neurônios ou outros tipos de células gliais) e 67 subtipos de tipos celulares (por exemplo, 17 tipos de neurônios excitatórios ou seis tipos de neurônios inibitórios).

Os pesquisadores anotaram mais de 1 milhão de regiões de controle de regulação gênica que diferentes células utilizam para estabelecer suas identidades e funcionalidades específicas usando marcação epigenômica. Em seguida, comparando as células de cérebros com Alzheimer com aquelas sem Alzheimer, e considerando o estágio da patologia e os sintomas cognitivos, eles conseguiram produzir associações rigorosas entre a erosão dessas marcações epigenômicas e, em última análise, a perda de função.

Por exemplo, eles observaram que, entre pessoas que evoluíram para o estágio avançado da doença de Alzheimer, compartimentos normalmente repressivos se abriram para maior expressão, e compartimentos que normalmente eram mais abertos durante a fase de saúde tornaram-se mais reprimidos. Preocupantemente, quando os compartimentos normalmente repressivos das células cerebrais se abriram, elas passaram a ser mais afetadas pela doença.

“Para pacientes de Alzheimer, os compartimentos repressivos se abriram e os níveis de expressão genética aumentaram, o que foi associado à diminuição da função cognitiva”, explica Liu.

Mas quando as células conseguiram manter seus compartimentos em ordem, de modo a expressar os genes que deveriam, as pessoas permaneceram cognitivamente intactas.

Enquanto isso, com base na expressão dos elementos reguladores das células, os pesquisadores criaram uma pontuação de informação epigenômica para cada célula. Em geral, a informação diminuiu com a progressão da patologia, mas isso foi particularmente notável entre as células das duas regiões cerebrais afetadas mais precocemente na doença de Alzheimer: o córtex entorrinal e o hipocampo. As análises também destacaram tipos celulares específicos que eram especialmente vulneráveis, incluindo a microglia, que desempenha funções imunológicas e outras, os oligodendrócitos, que produzem o isolamento da mielina para os neurônios, e tipos específicos de neurônios excitatórios.

Análises detalhadas no artigo destacaram como a regulação epigenômica acompanhava os problemas relacionados à doença, observa Liu. A variante e4 do gene APOE, por exemplo, é amplamente reconhecida como o maior fator de risco genético para o Alzheimer. Em cérebros com APOE4, a microglia respondeu inicialmente à patologia emergente da doença com um aumento em sua informação epigenômica, sugerindo que estavam assumindo sua responsabilidade única de combater a doença. Mas, à medida que a doença progredia, as células exibiam uma queda acentuada na informação, um sinal de deterioração e degeneração. Essa reviravolta foi mais forte em pessoas que tinham duas cópias do APOE4, em vez de apenas uma. As descobertas, disse Kellis, sugerem que o APOE4 pode desestabilizar o genoma da microglia, causando seu esgotamento.

Outro exemplo é o destino dos neurônios que expressam o gene RELN e sua proteína Reelin. Estudos anteriores, incluindo os de Kellis e Tsai , demonstraram que os neurônios que expressam RELN no córtex entorrinal e no hipocampo são especialmente vulneráveis na doença de Alzheimer, mas promovem resiliência caso sobrevivam. O novo estudo lança nova luz sobre seu destino ao demonstrar que eles apresentam perda precoce e grave de informação epigenômica à medida que a doença avança, mas que, em pessoas que permaneceram cognitivamente resilientes, os neurônios mantiveram a informação epigenômica.

Em outro exemplo, os pesquisadores rastrearam o que coloquialmente chamam de "guardiões da cromatina", pois sua expressão sustenta e regula os programas epigenômicos das células. Por exemplo, células com maior erosão epigenômica e progressão avançada da doença de Alzheimer apresentaram maior acessibilidade à cromatina em áreas que deveriam estar bloqueadas por genes de repressão Polycomb ou outros silenciadores de expressão gênica. Enquanto células resilientes expressaram genes que promovem a conectividade neural, células com erosão epigenômica expressaram genes ligados à inflamação e ao estresse oxidativo.

“A mensagem é clara: o Alzheimer não se trata apenas de placas e emaranhados, mas da erosão da própria ordem nuclear”, diz Kellis. “O declínio cognitivo surge quando os guardiões da cromatina perdem terreno para as forças da erosão, passando da resiliência para a vulnerabilidade no nível mais fundamental da regulação do genoma.”

Outros autores do artigo são Benjamin T. James, Kyriaki Galani, Riley J. Mangan, Stuart Benjamin Fass, Chuqian Liang, Manoj M. Wagle, Carles A. Boix, Yosuke Tanigawa, Sukwon Yun, Yena Sung, Xushen Xiong, Na Sun, Lei Hou, Martin Wohlwend, Mufan Qiu, Xikun Han, Lei Xiong, Efthalia Preka, Lei Huang, William F. Li, Li-Lun Ho, Amy Grayson, Julio Mantero, Alexey Kozlenkov, Hansruedi Mathys, Tianlong Chen, Stella Dracheva e David A. Bennett.

O financiamento para a pesquisa veio dos Institutos Nacionais de Saúde, da Fundação Nacional de Ciências, do Fundo Cure Alzheimer's, da Fundação Freedom Together, da Fundação da Família Robert A. e Renee E. Belfer, Eduardo Eurnekian e Joseph P. DiSabato.